DE3779578T2 - DEVICE AND METHOD FOR THE MASS TRANSFER OF BIOLOGICAL-PHARMACEUTICAL MEDIA. - Google Patents
DEVICE AND METHOD FOR THE MASS TRANSFER OF BIOLOGICAL-PHARMACEUTICAL MEDIA.Info
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für den Massentransfer, umfassend biologische/pharmazeutische Medien als Materialien, zu oder von denen Masse übertragen wird.This invention relates to an apparatus and method for mass transfer comprising biological/pharmaceutical media as materials to or from which mass is transferred.
Massentransfervorgänge werden auf zahlreichen Anwendungsgebieten für die Konzentration, Reinigung und Trennung von verschiedenen biologischen/pharmazeutischen Medien benutzt. Beispiele umfassen: Entfernung von Natriumsalzen aus pharmazeutischen Zusammensetzungen, um Niedrignatrium-Produkte für den menschlichen Verbrauch vorzusehen; Wachstum von Zellkulturen für die Forschung; Entfernung von Harnsäure, Kreatinin und verschiedenen unerwünschten Elektrolyten aus Blut über die Hämodialyse; und die Herstellung und das Gewinnen von Viren für die Impfstoffproduktion, oder anderer intrazellulärer Produkte oder abgesonderter biologischer Stoffe, wie Immunoglobine, Interleukine, Interferone, Gerinnungsfaktoren und dergleichen.Mass transfer processes are used in numerous applications for the concentration, purification and separation of various biological/pharmaceutical media. Examples include: removal of sodium salts from pharmaceutical compositions to provide low sodium products for human consumption; growth of cell cultures for research; removal of uric acid, creatinine and various undesirable electrolytes from blood via hemodialysis; and the preparation and recovery of viruses for vaccine production, or other intracellular products or secreted biological substances such as immunoglobulins, interleukins, interferons, clotting factors and the like.
In Anwendungen der oben beschriebenen Art ist es häufige Praxis, eine Massentransferkammer zu verwenden, in welcher ein Massentransferoberflächenelement angeordnet ist, das Durchgänge auf seinen jeweiligen Seiten begrenzt, worin das biologische/pharmazeutische Medium auf einer Seite des Elements angeordnet wird, und das Medium, zu welchem oder von welchem Massentransfer bewirkt werden soll, wird auf der entgegengesetzten Seite des Elements angeordnet. Die jeweiligen Medien werden in ihren gesonderten Durchgängen über das Massentransferelement miteinander kontaktiert, z.B. im Gegenstromfluß zueinander, oder wobei eines der Materialien in Chargenweise in seinem Durchgang bzw. in seinen Durchgängen zurückgehalten wird, während das andere Material an dem Massentransferelement auf dessen entgegengesetzter Seite vorbeiströmt, um einen diffusionsmäßigen und/oder osmolytischen Massentransfer zu bewirken.In applications of the type described above, it is common practice to use a mass transfer chamber in which a mass transfer surface element is arranged defining passages on its respective sides, wherein the biological/pharmaceutical medium is arranged on one side of the element, and the medium to or from which mass transfer is to be effected is arranged on the opposite side of the element. The respective media are passed in their separate passages over the mass transfer element. contacted with each other, e.g. in countercurrent flow to each other, or wherein one of the materials is retained in its passageway(s) in a batchwise manner while the other material flows past the mass transfer element on the opposite side thereof to effect diffusional and/or osmolytic mass transfer.
Ein spezielles Problem, das sich in dem Betrieb solcher Systeme ergeben hat, ist ihre Tendenz, nach einer Betriebsperiode eine Verschmutzung des Massentransferelements zu erfahren. Als eine Erläuterung, in Systemen, worin Zellenmedien durch Strömung eines Nährmediums auf einer Seite des Massentransferelements zum diffusionsmäßigen Transfer der Nährstoffspezies zu einer mikrobischen Kultur auf der entgegengesetzten Seite des Elements wachsen gelassen werden, erfährt das System nach einer Betriebsperiode bevorzugte Bereiche von Zellwachstum, welche einen weiteren Massentransfer hindern. In anderen Fällen, in denen Proteine durch Zellmedien abgesondert und nachfolgend durch das Massentransferelement zu einem Aufnahmemedium übertragen werden, lagern sich eiweißartige Spezies auf den Oberflächen des Massentransferelements ab und erzeugen eine physische Barriere gegen eine Fortsetzung eines Diffusionstransfers der gewünschten Produkte.A particular problem that has arisen in the operation of such systems is their tendency to experience fouling of the mass transfer element after a period of operation. As an illustration, in systems in which cell media are grown by flowing a nutrient medium on one side of the mass transfer element for diffusional transfer of the nutrient species to a microbial culture on the opposite side of the element, the system experiences after a period of operation preferential areas of cell growth which prevent further mass transfer. In other cases in which proteins are secreted by cell media and subsequently transferred by the mass transfer element to a receiving medium, proteinaceous species deposit on the surfaces of the mass transfer element and create a physical barrier to continued diffusional transfer of the desired products.
Diese Probleme sind besonders akut in Massentransferoberflächenelementen, wie Hohlfaserbündeln, von der Art, worin eine Mehrzahl von inneren Durchgängen Strömung eines ersten Mediums durch dieselben hindurch aufnehmen, während ein zweites Medium in den zwischenräumlichen Durchgängen, die zwischen benachbarten Hohlfasern in dem Bündel vorgesehen sind, enthalten ist oder durch diese zwischenräumlichen Durchgänge hindurchfließen gelassen wird. Solche Hohlfaser-Massentransferelemente können diskrete Faseroffenbereichdimensionen (innerer Durchmesser) in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 1 mm haben, mit Poren in der Massentransferoberfläche in der Größenordnung von etwa 0,2 u im Durchmesser. Aufgrund der damit verbundenen kleinen Dimensionen sind diese Massentransferelemente im Betrieb in hohem Maße für Verstopfung und nachfolgende Verminderung in dem Ausmaß und der Rate des Massentransfers anfällig.These problems are particularly acute in mass transfer surface elements such as hollow fiber bundles of the type wherein a plurality of internal passages accommodate flow of a first medium therethrough, while a second medium is contained in or allowed to flow through the interstitial passages provided between adjacent hollow fibers in the bundle. Such hollow fiber mass transfer elements may have discrete fiber open area dimensions (internal diameter) on the order of about 0.25 to 1 mm, with pores in the mass transfer surface on the order of about 0.2 µ in diameter. Due to the small Dimensions, these mass transfer elements are highly susceptible to clogging during operation and subsequent reduction in the extent and rate of mass transfer.
Zusätzlich zu Hohlfasermembranmodulen der oben beschriebenen Art werden verschiedentlich schwammartige Kammern oder wabenartige Module angewandt. Die Hohlfasermembranmodule sind jedoch in Zellwachstumsanwendungen, Blutdialyse und verschiedenen anderen Anwendungsbereichen gegenwärtig die im weitesten Umfang angewandten.In addition to hollow fiber membrane modules of the type described above, sponge-like chambers or honeycomb-like modules are variously used. However, the hollow fiber membrane modules are currently the most widely used in cell growth applications, blood dialysis and various other applications.
In dem speziellen Bereich von Nährstoffmassentranfer-Zellwachstumssystemen ist ein ernsthaftes Problem in der Verwendung der vorerwähnten Massentransferkammern die Bildung von Mikroumgebungen innerhalb der Kammern. Solche Mikroumgebungen sind charakterisiert durch schlechte Wachstumsraten, schlechte Langlebigkeit der mikrobischen Population, und am meisten zu bemerken, Bereiche von aktivem Wachstum innerhalb der Kammer verglichen mit anderen Bereichen darin, die scheinbar wenig oder kein Wachstum unterstützen.In the specific area of nutrient mass transfer cell growth systems, a serious problem in the use of the aforementioned mass transfer chambers is the formation of microenvironments within the chambers. Such microenvironments are characterized by poor growth rates, poor longevity of the microbial population, and most notably, areas of active growth within the chamber compared to other areas therein that appear to support little or no growth.
In diesen Kammern ist für alle Zellarten, sowohl prokaryotische als auch eukariotische, wenn sie als Suspensionskulturen gewachsen oder an einer Perfusionsmatrix in der Massentransferkammer verankert sind, beobachtet worden, daß sie bei weitem üppiger an einem Ende der Kammer als an dem anderen wachsen. Weder Rühren, wie durch die Verwendung einer Schütteleinrichtung, noch Umkehren der Kammer, um deren Ausrichtung manuell zu manipulieren, hat das Problem der Bildung dieser unangemessenen Mikroumgebungen gelöst.In these chambers, all cell types, both prokaryotic and eukaryotic, when grown as suspension cultures or anchored to a perfusion matrix in the mass transfer chamber, have been observed to grow far more abundantly at one end of the chamber than the other. Neither agitation, such as by using a shaker, nor inverting the chamber to manually manipulate its orientation has solved the problem of the formation of these inappropriate microenvironments.
Es ist beobachtet worden, daß die bevorzugten Wachstumsbereiche normalerweise benachbart der Einlaßströmung von einer Nährstoffquelle zu der Massentransferkammer sind, und daß ein solches aktives Wachstum an dem Einlaßanschluß effektiv die folgenden Probleme verursacht: (1) schlechte Ausnutzung des gesamten potentiellen Volumens der Kammer für die Züchtung;It has been observed that the preferred growth areas are normally adjacent to the inlet flow from a nutrient source to the mass transfer chamber, and that such active growth at the inlet port effectively causes the following problems: (1) poor utilization of the total potential volume of the chamber for growth;
(2) schlechte Diffusion von Nährstoffkomponenten innerhalb dieser Bereiche von hohem Zellwachstum; und (3) unerwünschte Ansammlung von metabolischen Abfällen in dem und um den Bereich von hohem Zellwachstum, was physisch den gewünschten Nährstoffmassentransfervorgang belästigen kann, insbesondere, wenn sich solche Abfälle auf den Oberflächen des Massentransferelements ablagern.(2) poor diffusion of nutrient components within these areas of high cell growth; and (3) undesirable accumulation of metabolic wastes in and around the area of high cell growth, which can physically hamper the desired nutrient mass transfer process, particularly if such wastes become deposited on the surfaces of the mass transfer element.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bewirken von Massentransfervorgängen, die mit biologischen/pharmazeutischen Medien verbunden sind, zur Verfügung zu stellen, worin die einen längeren Betrieb begleitende Verminderung des Massentransfers minimiert ist.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved apparatus and method for effecting mass transfer operations involving biological/pharmaceutical media, wherein the degradation of mass transfer accompanying prolonged operation is minimized.
Es ist ein anderer Ziel der Erfindung, ein System zur Verfügung zu stellen, das eine Massentransferkammer umfaßt, in welcher eine longitudinale Abnahme der Massentransferwirksamkeit bei längerem Betrieb aufgrund von Verschmutzen der Massentransferoberfläche minimiert ist.It is another object of the invention to provide a system comprising a mass transfer chamber in which longitudinal degradation of mass transfer efficiency during prolonged operation due to fouling of the mass transfer surface is minimized.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für das Wachstum von Zellen zur Verfügung zu stellen, worin eine unerwünschte Bildung von Mikroumgebungen und von Bereichen von bevorzugtem Wachstum im wesentlichen vermieden werden.It is another object of the invention to provide an improved apparatus and method for the growth of cells wherein undesirable formation of microenvironments and regions of preferential growth are substantially avoided.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden vollständiger ersichtlich aus der folgenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen.Other objects and advantages of the invention will become more fully apparent from the following disclosure and the appended claims.
In einem breiten Vorrichtungsaspekt betrifft die Erfindung eine Massentransfervorrichtung, umfassend:In a broad device aspect, the invention relates to a mass transfer device comprising:
(a) eine erste Pumpe, die einen Auslaß- und Einlaßkanal hat;(a) a first pump having an outlet and an inlet channel;
(b) eine Einrichtung, welche eine langgestreckte Massentransferkammer begrenzt, die ein erstes und zweites entgegengesetztes Ende hat, wobei wenigstens ein Massentransferoberflächenelement in der Kammer eine erste und zweite Seite hat, die jeweils einen ersten und zweiten Durchgang begrenzen, wobei der erste Durchgang bzw. die ersten Durchgänge auf der ersten Seite des Elements bzw. der Elemente mit dem ersten und zweiten Ende zum Strömen eines ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge in Massentransferbeziehung mit einem zweiten Medium in dem zweiten Durchgang bzw. den zweiten Durchgängen auf der zweiten Seite des Elements bzw. der Elemente in Verbindung steht bzw. stehen;(b) means defining an elongated mass transfer chamber having first and second opposite ends, at least one mass transfer surface element in the chamber having first and second sides each defining first and second passageways, the first passageway(s) on the first side of the element(s) communicating with the first and second ends for flow of a first medium through the first passageway(s) in mass transfer relation with a second medium in the second passageway(s) on the second side of the element(s);
(c) ein Reservoir, das eine Einlaß- und Auslaßöffnung hat;(c) a reservoir having an inlet and outlet opening;
(d) eine Einrichtung zum abwechselnden Umschalten der Richtung der Strömung des ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge, zwischen einer ersten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem ersten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem zweiten Ende erfolgt, und einer zweiten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem zweiten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem ersten Ende erfolgt, welche eine umschaltbare Strömungssteuereinrichtung aufweist, die mit A, B, C und D bezeichnete Strömungsöffnungen umfaßt, und zwar zum Verbinden:(d) means for alternately switching the direction of flow of the first medium through the first passage or passages between a first mode of operation in which the flow of the first medium is from the first end through the first passage or passages to the second end and a second mode of operation in which the flow of the first medium is from the second end through the first passage or passages to the first end, which comprises switchable flow control means comprising flow openings designated A, B, C and D for connecting:
(1) in einer ersten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung B, und die Öffnung C in Strömungsverbindung mit der Öffnung D; und(1) in a first configuration, opening A is in flow communication with opening B, and opening C is in flow communication with opening D; and
(2) in einer zweiten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung D, und die Öffnung B in Strömungsverbindung mit der Öffnung C; und(2) in a second configuration, the opening A is in flow communication with the opening D, and the opening B is in Flow connection with opening C; and
(e) Leitungen, welche die Pumpenauslaßöffnung mit der Öffnung C, den Pumpeneinlaß mit der Reservoirauslaßöffnung, die Reservoireinlaßöffnung mit der Öffnung A, das erste Ende der Kammer mit der Öffnung B, und das zweite Ende der Kammer mit der Öffnung D verbinden.(e) Conduits connecting the pump outlet port to port C, the pump inlet to the reservoir outlet port, the reservoir inlet port to port A, the first end of the chamber to port B, and the second end of the chamber to port D.
Die umschaltbare Strömungssteuereinrichtung der oben beschriebenen Vorrichtung kann irgendeine geeignete Einrichtung sein, welche eine Strömungsverbindung in der vorerwähnten Art zwischen den entsprechenden Leitungen im Abschnitt (e) zur Verfügung stellt, z.B. ein Vierwegventil, oder eine Reihe von Ventilen und/oder Reservoirs etc., und demgemäß ist die Bezeichnung "Öffnung" allgemein zu deuten, dahingehend daß sie irgendwelche geeigneten Mittel des Verbindens der verschiedenen Leitungen so, daß ein solches Umschalten der Strömung bewirkt werden kann, umfaßt. Eine bevorzugte umschaltbare Strömungssteuereinrichtung ist ein Vierwegventil, das vier Öffnungen zum Verbinden der jeweiligen Leitungen hat.The switchable flow control means of the apparatus described above may be any suitable means providing flow communication in the manner aforesaid between the respective conduits in paragraph (e), e.g. a four-way valve, or a series of valves and/or reservoirs etc., and accordingly the term "port" is to be interpreted broadly to include any suitable means of connecting the various conduits so that such switching of flow can be effected. A preferred switchable flow control means is a four-way valve having four ports for connecting the respective conduits.
In einem anderen Aspekt umfaßt die Vorrichtung, wie sie oben allgemein beschrieben worden ist, wenigstens ein Massentransferoberflächenelement in der Kammer, das Durchgänge auf seinen jeweiligen Seiten begrenzt, wobei der Durchgang bzw. die Durchgänge auf einer Seite des Massentranferelements bzw. der Massentransferelemente mit dem ersten und zweiten Einlaß zum Strömen eines ersten Mediums durch dieselben hindurch in Massenaustauschbeziehung mit einem zweiten Medium in dem Durchgang bzw. den Durchgängen auf der anderen Seite des Massentransferelements bzw. der Massentransferelemente in Verbindung stehen.In another aspect, the apparatus as generally described above comprises at least one mass transfer surface element in the chamber defining passageways on its respective sides, the passageway(s) on one side of the mass transfer element(s) communicating with the first and second inlets for flowing a first medium therethrough in mass exchange relation with a second medium in the passageway(s) on the other side of the mass transfer element(s).
Eine solche Vorrichtung kann weiter umfassen:Such a device may further comprise:
(i) eine Öffnung auf der Massentransferkammer, welche mit dem vorerwähnten zweiten Mediumdurchgang bzw. den vorerwähnten zweiten Mediumdurchgängen in Verbindung steht; und(i) an opening on the mass transfer chamber which communicates with the aforementioned second medium passage or passages second medium passages; and
(ii) zwei in Reihe verbundene Ventile an der Öffnung in Strömungsverbindung mit dem zweiten Mediumdurchgang bzw. den zweiten Mediumdurchgängen, umfassend ein erstes Ventil, das an diese Öffnung angrenzt, und ein zweites Ventil, das mit dem ersten Ventil in Reihe damit verbunden ist, wodurch zweites Medium mittels Strömung durch die Öffnung und ihren zugeordneten, in Reihe verbundenen Ventilen in die Massenaustauschkammer eingeführt und aus der Massenaustauschkammer abgezogen werden kann, und das erste Ventil kann geschlossen sein, um zweites Medium in der Massenaustauschkammer zurückzuhalten, während das zweite Ventil offen ist, um dessen Sterilisierung zu ermöglichen.(ii) two valves connected in series at the opening in flow communication with the second medium passage(s), comprising a first valve adjacent to that opening and a second valve connected in series with the first valve, whereby second medium can be introduced into and withdrawn from the mass exchange chamber by flow through the opening and its associated valves connected in series, and the first valve can be closed to retain second medium in the mass exchange chamber while the second valve is open to allow sterilization thereof.
Ein weiterer Aspekt der oben beschriebenen Vorrichtung umfaßt: (1) Öffnungen der Massenaustauschkammer, die mit dem zweiten Mediumdurchgang bzw. den zweiten Mediumdurchgängen verbunden sind; (2) Leitungen, welche die Öffnungen auf der Massenaustauschkammer verbinden, um einen zweiten Mediumströmungskreislauf zu bilden, mit dem verbunden ist (3) eine zweite Pumpe, um das zweite Medium durch denselben hindurch zu zirkulieren; und (4) eine Einrichtung zum intermittierenden Betätigen der Pumpe entsprechend einem vorbestimmten periodischen Zyklus.Another aspect of the apparatus described above includes: (1) openings on the mass exchange chamber connected to the second medium passage(s); (2) conduits connecting the openings on the mass exchange chamber to form a second medium flow circuit to which is connected (3) a second pump for circulating the second medium therethrough; and (4) means for intermittently operating the pump according to a predetermined periodic cycle.
In einem weiteren Aspekt umfaßt die oben beschriebene Vorrichtung:In a further aspect, the device described above comprises:
eine Rühreinrichtung mit variabler Geschwindigkeit zum Rühren des Inhalts des Reservoirs; unda variable speed stirring device for stirring the contents of the reservoir; and
eine Steuereinrichtung für die Vorrichtung, umfassend:a control device for the device, comprising:
(I) eine Einrichtung zum Fernpositionieren und abwechselnden Positionieren der umschaltbaren Strömungssteuereinrichtung;(I) means for remotely positioning and alternately positioning the switchable flow control device;
(II) eine Einrichtung zum Fernvariieren der Geschwindigkeit der Rühreinrichtung;(II) a device for remotely varying the speed of the stirring device;
(III) eine Einrichtung zum Fernvariieren der Pumprate der mit dem Reservoirauslaßkanal verbundenen Pumpe; und(III) means for remotely varying the pumping rate of the pump connected to the reservoir outlet channel; and
(IV) eine Einrichtung zum Fernvariieren der Pumprate der zweiten Pumpe, wenn diese durch die intermittierende Betätigungseinrichtung betätigt wird.(IV) means for remotely varying the pumping rate of the second pump when actuated by the intermittent actuation means.
Eine bevorzugte Form einer solchen Vorrichtung umfaßt als ein zentralisiertes Modul ein einheitliches strukturelles Gehäuse, welches solche Fernsteuereinrichtungen (I), (II), (III) und (IV) und die intermittierende Betätigungseinrichtung enthält.A preferred form of such a device comprises as a centralized module a unitary structural housing containing such remote control means (I), (II), (III) and (IV) and the intermittent actuation means.
In einem Verfahrensaspekt betrifft die Erfindung ein Massentransferverfahren, umfassend:In one method aspect, the invention relates to a mass transfer method comprising:
(a) Einrichten eines Massentransfersystems, welches Folgendes aufweist:(a) Establish a mass transfer system comprising:
(i) eine erste Pumpe, die eine Einlaß- und Auslaßöffnung hat;(i) a first pump having an inlet and outlet port;
(ii) eine Einrichtung, die eine langgestreckte Massentransferkammer begrenzt, welche ein erstes und zweites Ende der Kammer zur Aufnahme von Strömung eines ersten Massentransfermediums durch dieselbe in Massentransferbeziehung mit einem zweiten Massentransfermedium darin hat, wobei wenigstens ein Massentransferoberflächenelement in der Kammer vorgesehen ist, welches eine erste und zweite Seite hat, die jeweils einen ersten und zweiten Durchgang bzw. erste und zweite Durchgänge begrenzen, wobei der erste Durchgang bzw. die ersten Durchgänge auf der ersten Seite des Elements bzw. der Elemente mit dem ersten und zweiten Ende für die Strömung eines ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge in Massentransferbeziehung mit einem zweiten Medium in dem zweiten Durchgang bzw. den zweiten Durchgängen auf der zweiten Seite des Elements bzw. der Elemente in Verbindung stehen;(ii) means defining an elongate mass transfer chamber having first and second ends of the chamber for receiving flow of a first mass transfer medium therethrough in mass transfer relationship with a second mass transfer medium therein, at least one mass transfer surface element being provided in the chamber having first and second sides each defining first and second passageways, the first passageway(s) on the first side of the element(s) being connected to the first and second ends for flow of a first medium through the first passageway or passageways communicate in mass transfer relationship with a second medium in the second passageway or passageways on the second side of the element or elements;
(iii) ein erstes Massentransfermediumreservoir, das eine Einlaß- und Auslaßöffnung hat;(iii) a first mass transfer medium reservoir having an inlet and outlet opening;
(iv) eine Einrichtung zum abwechselnden Umschalten der Richtung der Strömung des ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zwischen einer ersten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem ersten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem zweiten Ende erfolgt, und einer zweiten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem zweiten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem ersten Ende erfolgt, umfasssend eine umschaltbare Strömungssteuereinrichtung, welche mit A, B, C und D bezeichnete Strömungsöffnungen umfaßt, um zu verbinden:(iv) means for alternately switching the direction of flow of the first medium through the first passage or passages between a first mode of operation in which the flow of the first medium is from the first end through the first passage or passages to the second end and a second mode of operation in which the flow of the first medium is from the second end through the first passage or passages to the first end, comprising switchable flow control means comprising flow openings designated A, B, C and D for connecting:
(1) in einer ersten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung B, und die Öffnung C in Strömungsverbindung mit der Öffnung D;(1) in a first configuration, opening A in fluid communication with opening B, and opening C in fluid communication with opening D;
(2) in einer zweiten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung D, und die Öffnung B in Strömungsverbindung mit der Öffnung C;(2) in a second configuration, the opening A in fluid communication with the opening D, and the opening B in fluid communication with the opening C;
(v) Leitungen, welche die Pumpenauslaßöffnung mit der Öffnung C, die Pumpeneinlaßöffnung mit der Reservoirauslaßöffnung, die Reservoireinlaßöffnung mit der Öffnung A, den ersten Einlaß der Kammer mit der Öffnung B und den zweiten Einlaß der Kammer mit der Öffnunng D verbinden;(v) Pipes connecting the pump outlet port to port C, the pump inlet port to Connect the reservoir outlet port, the reservoir inlet port to port A, the first inlet of the chamber to port B, and the second inlet of the chamber to port D;
(b) Betreiben der ersten Pumpe, um eine Strömung des ersten Mediums durch die Massentransferkammer in einer gewählten Richtung herzustellen; und(b) operating the first pump to establish a flow of the first medium through the mass transfer chamber in a selected direction; and
(c) periodisches Repositionieren der umschaltbaren Strömungssteuereinrichtung so, daß die Richtung der Strömung des ersten Mediums durch die Massentransferkammer aufeinanderfolgend entsprechend einem vorbestimmten Schema verändert wird.(c) periodically repositioning the switchable flow control device so that the direction of flow of the first medium through the mass transfer chamber is sequentially changed according to a predetermined pattern.
Erläuterungsweise kann das zweite Medium aus der aus Zellkulturen, Blut und pharmazeutischen Zusammensetzungen bestehenden Gruppe ausgewählt sein.By way of illustration, the second medium may be selected from the group consisting of cell cultures, blood and pharmaceutical compositions.
Andere Verfahrensaspekte der Erfindung umfassen jene, die dem Betrieb oben beschriebenen verschiedenen Vorrichtungsaspekte Erfindung entsprechen. Ein speziell bevorzugter Verfahrensaspekt der Erfindung betrifft ein Zellwachstumsverfahren, umfassend:Other method aspects of the invention include those corresponding to the operation of the various device aspects of the invention described above. A particularly preferred method aspect of the invention relates to a cell growth method comprising:
(a) Einrichten eines sterilen Wachstumssystems, welches umfaßt:(a) Establish a sterile growth system comprising:
(i) eine Pumpe, die eine Auslaß- und Einlaßöffnung hat;(i) a pump having a discharge port and an inlet port ;
(ii) eine Einrichtung, die eine langgestreckte Zellwachstumskammer begrenzt, welche ein erstes und zweites Ende an entgegengesetzten Enden der Kammer hat, wobei wenigstens ein Massentransferoberflächenelement in der Kammer eine erste und zweite Seite hat, die jeweilige erste und zweite Durchgänge begrenzen, wobei der erste Durchgang bzw. die ersten Durchgänge auf der ersten Seite des Elements bzw. der Elemente mit dem ersten und zweiten Ende zum Strömen eines ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge in Masssentransferbeziehung mit einem zweiten Medium in dem zweiten Durchgang bzw. den zweiten Durchgängen auf der zweiten Seite des Elements bzw. der Elemente in Verbindung steht bzw. stehen;(ii) means defining an elongate cell growth chamber having first and second ends at opposite ends of the chamber, at least one mass transfer surface element in the chamber having first and second sides defining respective first and second passageways, the first passageway the first passages on the first side of the element or elements having the first and second ends communicating for flow of a first medium through the first passage or passages in mass transfer relationship with a second medium in the second passage or passages on the second side of the element or elements;
(iii) ein Nährmediumreservoir, das eine Einlaß- und Auslaßöffnung hat;(iii) a culture medium reservoir having an inlet and outlet opening;
(iv) eine Einrichtung zum abwechselnden Umschalten der Richtung der Strömung des ersten Mediums durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zwischen einer ersten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem ersten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem zweiten Ende erfolgt, und einer zweiten Betriebsweise, in welcher die Strömung des ersten Mediums von dem zweiten Ende durch den ersten Durchgang bzw. die ersten Durchgänge zu dem ersten Ende erfolgt, umfasssend eine umschaltbare Strömungssteuereinrichtung, die mit A, B, C und D bezeichnete Strömungsöffnungen umfaßt, um zu verbinden:(iv) means for alternately switching the direction of flow of the first medium through the first passage or passages between a first mode of operation in which the flow of the first medium is from the first end through the first passage or passages to the second end and a second mode of operation in which the flow of the first medium is from the second end through the first passage or passages to the first end, comprising switchable flow control means comprising flow openings designated A, B, C and D for connecting:
(1) in einer ersten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung B, und die Öffnung C in Strömungsverbindung mit der Öffnung D;(1) in a first configuration, opening A in fluid communication with opening B, and opening C in fluid communication with opening D;
(2) in einer zweiten Konfiguration die Öffnung A in Strömungsverbindung mit der Öffnung D, und die Öffnung B in Strömungsverbindung mit der Öffnung C;(2) in a second configuration, the opening A in fluid communication with the opening D, and the opening B in fluid communication with the opening C;
(v) Leitungen, welche die Pumpenauslaßöffnung mit der Öffnung C, die Pumpeneinlaßöffnung mit der Reservoirauslaßöffnung, die Reservoireinlaßöffnung mit der Öffnung A, den ersten Einlaß der Kammer mit der Öffnung B und den zweiten Einlaß der Kammer mit der Öffnung D verbinden;(v) conduits connecting the pump outlet port to the port C, the pump inlet port to the reservoir outlet port, the reservoir inlet port to the port A, the first inlet of the chamber to the port B and the second inlet of the chamber to the port D;
(b) Einleiten von Kulturmedium in das System;(b) introducing culture medium into the system;
(c) Impfen der Kammer mit einem gewählten Zellentyp;(c) seeding the chamber with a selected cell type;
(d) Betreiben der Pumpe zum Herstellen einer Strömung des Mediums durch die Wachstumskammer in einer gewählten Richtung;(d) operating the pump to establish a flow of the medium through the growth chamber in a selected direction;
(e) Inkubieren des Systems für eine gewählte Zeitdauer und Ändern des Mediums während dieser Zeitdauer, wenn das und wie es für das gewählte Medium erforderlich ist; und(e) incubating the system for a selected period of time and changing the medium during that period of time as and as required for the selected medium; and
(f) periodisches Repositionieren der umschaltbaren Strömungssteuereinrichtung so, daß die Richtung der Strömung durch die Wachstumskammer aufeinanderfolgend entsprechend einem vorbestimmten Schema verändert wird, um das Zellwachstum im wesentlichen gleichförmig über die Kammer hinweg zu verteilen und metabolischen Abfall von den Zellen, welche in der Kammer gewachsen sind, wegzutransportieren.(f) periodically repositioning the switchable flow control device so that the direction of flow through the growth chamber is sequentially changed according to a predetermined pattern to distribute cell growth substantially uniformly throughout the chamber and to transport metabolic waste away from cells grown in the chamber.
Andere Aspekte und Merkmale der Erfindung werden vollständiger ersichtlich aus der hier nachstehend bekanntgegebenen Beschreibung.Other aspects and features of the invention will become more fully apparent from the description set forth hereinafter.
Figur 1 ist ein schematisches Diagramm eines ein Vierwegventil enthaltenden Zellkultursystems gemäß der Erfindung.Figure 1 is a schematic diagram of a cell culture system containing a four-way valve according to the invention.
Figur 2 ist eine schematische Zeichnung des Zellkultursystems der Figur 1 mit einer Fernsteueranordnung für das Vierwegventil.Figure 2 is a schematic drawing of the cell culture system of Figure 1 with a remote control arrangement for the four-way valve.
Figur 3 ist eine schematische Zeichnung des Vierwegventils in einer ersten Position.Figure 3 is a schematic drawing of the four-way valve in a first position.
Figur 4 ist eine schematische Zeichnung des Vierwegventils in einer zweiten Position.Figure 4 is a schematic drawing of the four-way valve in a second position.
Figur 5 ist eine schematische Zeichnung eines Massentransfersystems, welches zweckmäßig in Extraktionen von Blutkomponenten vom Dialysetyp oder zum Entsalzen von pharmazeutischen Zusammensetzungen angewandt werden kann.Figure 5 is a schematic drawing of a mass transfer system which may be usefully used in dialysis-type extractions of blood components or for desalting pharmaceutical compositions.
Figur 6 ist eine schematische Zeichnung eines Zellwachstumssystems einer generellen Art, wie in Figur 2 gezeigt, das jedoch durch die weitere Hinzufügung einer sterilen Barriereeinrichtung zum Einführen oder Puffern von Nährstofflösung und zur Sauerstoffanreicherung der Nährstofflösung auf ihrer Rückkehr zu dem Reservoir modifiziert ist, und in welchem eine einheitliche Fernsteuereinrichtung verwendet wird.Figure 6 is a schematic drawing of a cell growth system of a general type as shown in Figure 2, but modified by the further addition of a sterile barrier means for introducing or buffering nutrient solution and for oxygenating the nutrient solution on its return to the reservoir, and in which a uniform remote control means is used.
Figur 7 ist eine Aufsicht auf eine einheitliche Fernsteuervorrichtung derart, wie sie zweckmäßig in Systemen der in Figur 6 gezeigten Art verwendet werden kann.Figure 7 is a plan view of a unitary remote control device of the type that may be conveniently used in systems of the type shown in Figure 6.
Figur 8 ist eine rückwärtige Aufrißansicht der Vorrichtung der Figur 7.Figure 8 is a rear elevational view of the device of Figure 7.
Figur 9 ist eine schematische Darstellung von Elementen des Fernsteuersystems und der dadurch gesteuerten Systemkomponenten.Figure 9 is a schematic representation of elements of the Remote control system and the system components controlled by it.
Nachdem wiederholt beobachtet worden ist, daß Zellwachstum in Zell- und Nährmedienmassentransfersystemen in direkter Beziehung zu dem Einlaß von frischen Nährmedien ist, wurde die Hypothese aufgestellt, daß ein Ändern der Richtung der Strömung der Nährstoffquelle zu der Kammer zu einer größeren Gleichförmigkeit des Wachstums innnerhalb der Kammer führen würde. Zusätzliche beobachtete Faktoren waren, daß das erhöhte Rühren von einem solchen Strömungsschema den Rücktransport von metabolischem Abfall steigern wie auch die Homogenität mit Bezug auf pH- und Gasaustausch in dem Zellmedium erhöhen würde. Eine erfolgreiche Vorrichtung und ein erfolgreiches Verfahren basieren auf der Verwendung einer umschaltbaren Strömungssteuereinrichtung, vorzugsweise eines Vierwegventils, welches es ermöglicht, die Richtung der Fluidströmung durch Aktivierung von einem Ventil allein umzukehren.Having repeatedly observed that cell growth in cell and culture media mass transfer systems is directly related to the inlet of fresh culture media, it was hypothesized that changing the direction of flow of the nutrient source to the chamber would result in greater uniformity of growth within the chamber. Additional factors observed were that the increased agitation of such a flow scheme would increase the recirculation of metabolic waste as well as increase the homogeneity with respect to pH and gas exchange in the cell medium. A successful device and method is based on the use of a reversible flow control device, preferably a four-way valve, which allows the direction of fluid flow to be reversed by activation of one valve alone.
Es sei nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, Figur 1 zeigt ein veranschaulichendes Nährstoffabgabezellwachstumssystem 10, das eine Hohlfasermembrane 12 von konventionellem Typ als den Bioreaktor verwendet. Der Bioreaktor umfaßte ein Bündel von Hohlfasern, z.B. von 1 bis etwa 3 Zoll im Durchmesser, die in der Größenordnung von 60 % offenen Bereich im Querschnitt darbieten. Der Innendurchmesser von individuellen Fasern in dem Bündel kann z.B. von etwa 0,25 bis etwa 1 mm sein, mit Poren für diffusionsmäßigen und/oder osmolytischen Transfer von Nährstoffspezies in der Wand der rohrförmigen Fasern von etwa 0,2 u Durchmesser.Referring now to the drawings, Figure 1 shows an illustrative nutrient delivery cell growth system 10 utilizing a conventional type hollow fiber membrane 12 as the bioreactor. The bioreactor comprised a bundle of hollow fibers, e.g., from 1 to about 3 inches in diameter, presenting on the order of 60% open area in cross-section. The inner diameter of individual fibers in the bundle may be, e.g., from about 0.25 to about 1 mm, with pores for diffusional and/or osmolytic transfer of nutrient species in the wall of the tubular fibers of about 0.2 µm diameter.
Illustrative Hohlfasermembran-Massentransferelemente, die für die Praxis der Erfindung geeignet sind, werden von A/G Technologies, Needam, MA und Cordis Corporation, Miami, FL hergestellt.Illustrative hollow fiber membrane mass transfer elements suitable for the practice of the invention are available from A/G Technologies, Needam, MA and Cordis Corporation, Miami, FL.
Die Hohlfasermembrane 12 ist an einem Ende, das mit E-1 bezeichnet ist, durch die Leitung 14 mit einer mit D bezeichneten Öffnung verbunden, welche eine von vier solchen Öffnungen eines Vierwegventils 16 ist, die anderen sind mit A, B und C bezeichnet. Die Leitung kann ein flexibler, elastischer Silikonschlauch sein, oder sie kann aus einem steiferen Material, wie einem 316-rostfreiem-Stahlrohr ausgebildet sein. Das entgegengesetzte Ende der Hohlfasermembrane 12, das mit E-2 ist, ist durch die Leitung 18 mit der Öffnung B des Vierwegventils 16 verbunden. Ein Vier-Weg-LL-Ventil 16, das generell in der allgemeinen Praxis der Erfindung brauchbar ist, wird von der Quality Controls Company, Tilton, New Hampshire hergestellt.The hollow fiber membrane 12 is connected at one end, designated E-1, by conduit 14 to an opening designated D, which is one of four such openings of a four-way valve 16, the others being designated A, B and C. The conduit may be a flexible, resilient silicone tube, or it may be formed of a more rigid material, such as 316 stainless steel tubing. The opposite end of the hollow fiber membrane 12, designated E-2, is connected by conduit 18 to the opening B of the four-way valve 16. A four-way LL valve 16 generally useful in the general practice of the invention is manufactured by the Quality Controls Company, Tilton, New Hampshire.
Das in Figur 1 gezeigte Bioreaktorsystem umfaßt außerdem eine Pumpe 20 variabler Geschwindigkeit, welche z.B. die peristaltische Pumpe 20, die in Figur 1 veranschaulicht ist, umfassen kann, wie sie kommerziell von der Cole-Palmer Company, Chicago, Illinois erhältlich ist, oder eine Zahnradpumpe variabler Geschwindigkeit, wie die MICROPUMP -Zahnradpumpe, die kommerziell von der MICROPUMP Corporation, Concord, CA erhältlich ist.The bioreactor system shown in Figure 1 also includes a variable speed pump 20, which may include, for example, the peristaltic pump 20 illustrated in Figure 1, as is commercially available from the Cole-Palmer Company, Chicago, Illinois, or a variable speed gear pump, such as the MICROPUMP™ gear pump, which is commercially available from the MICROPUMP Corporation, Concord, CA.
Die Pumpe 20 ist auf ihrer Entladungsseite durch die Leitung 22 mit der Öffnung C des Vierwegventils 16 verbunden. Die Einlaßseite der Pumpe 20 ist durch die Leitung 24 mit der Auslaßöffnung eines Reservoirs 30 verbunden, welches das Nährmedium für das Bioreaktorsystem enthält. Ein solches Reservoir kann von einem Typ sein, der kommerziell von der Bellco Company, Vineland, New Jersey erhältlich ist. Das Einlaßende des Reservoirs 30 ist durch eine andere Leitung 32 mit der Öffnung A des Vierwegventils 16 verbunden.The pump 20 is connected on its discharge side by line 22 to port C of the four-way valve 16. The inlet side of the pump 20 is connected by line 24 to the outlet port of a reservoir 30 which contains the nutrient medium for the bioreactor system. Such a reservoir may be of a type commercially available from the Bellco Company, Vineland, New Jersey. The inlet end of the reservoir 30 is connected by another line 32 to port A of the four-way valve 16.
Das Reservoir 30 ist auf einer magnetischen Rührereinrichtung 35 angeordnet, welche ein Rühren des Inhalts des Reservoirs vorsieht. Der magnetische Rührer kann geeigneterweise von einem Typ sein, der eine variable Geschwindigkeit hat, um ein sich änderndes Niveau des Rührens in dem Reservoir 30 in Abhängigkeit von der Dichte und den Suspensionseigenschaften des darin enthaltenden Nährmediums vorzusehen.The reservoir 30 is arranged on a magnetic stirrer device 35, which stirs the contents of the reservoir The magnetic stirrer may suitably be of a variable speed type to provide a varying level of agitation in the reservoir 30 depending on the density and suspension properties of the nutrient medium contained therein.
Die Massentransferkammer, welche die Hohlfasermembrane 12 umfaßt, hat außerdem das Merkmal einer ersten Öffnung 38 in der Nähe des Einlasses E-1, und einer zweiten Öffnung 40, benachbart dem Einlaß E-2. Diese Öffnungen können mit geeigneten Verschlußmitteln versehen sein, oder sie können mit einem geeigneten Strömungskreislauf, wie hier nachstehend in größerem Detail beschrieben, zur Zirkulation des Zellmediums, das in der Hohlfasermembrane 12 enthalten ist, verbunden sein.The mass transfer chamber comprising the hollow fiber membrane 12 also features a first opening 38 proximate the inlet E-1 and a second opening 40 adjacent the inlet E-2. These openings may be provided with suitable closure means or they may be connected to a suitable flow circuit, as described in more detail hereinafter, for circulating the cell medium contained in the hollow fiber membrane 12.
Demgemäß ist in dieser Ausführungsform das Zellmedium in einem Satz von Durchgängen in der Membrane 12 angeordnet, welche durch die zwischenräumlichen Räume zwischen benachbarten Hohlfasern in dem Bündel begrenzt sind. Solche Bündel sind typischerweise an ihren Enden in Urethan- oder Epoxyharzen eingegossen, so daß sie in geeigneter Weise mit einem Kopfstück versehen sein können, um die Strömung durch die inneren Durchgänge der Hohlfasern aufzunehmen, ohne daß eine Leckage in die zwischenräumlichen Durchgänge erfolgt. Der Nährstoff wird demgemäß longitudinal durch die inneren Durchgänge der Hohlfasern strömen gelassen, und die Nährstoffspezies wird durch die Faserwände zu der Zellkultur übertragen, die in den zwischenräumlichen Durchgängen des Bündels enthalten ist.Accordingly, in this embodiment, the cell medium is disposed in a set of passages in the membrane 12 which are defined by the interstitial spaces between adjacent hollow fibers in the bundle. Such bundles are typically potted at their ends in urethane or epoxy resins so that they can be suitably headed to accommodate flow through the internal passages of the hollow fibers without leakage into the interstitial passages. Nutrient is thus flowed longitudinally through the internal passages of the hollow fibers and the nutrient species is transferred through the fiber walls to the cell culture contained in the interstitial passages of the bundle.
Das Vierwegventil 16 hat zwei Positionen. In derjenigen, die als eine erste Position bezeichnet wird, ist die Öffnung C mit der Öffnung D verbunden, und die Öffnung B ist mit der Öffnung A verbunden. In dieser Betriebsweise wird die Nährstoffsuppe in der Leitung 24 aus dem Reservoir 30 mittels der Pumpe 20 in die Leitung 22 strömen gelassen, von welcher sie in die Öffnung C eintritt, sich durch die Öffnung D in die Leitung 18 entlädt und in den Hohlfasermembranbioreaktor an dessen mit E- 2 bezeichneten Einlaß eintritt. Zur gleichen Zeit tritt die kontaktierte Nährstoffsuppe durch das entgegengesetzte Ende, das als Einlaß E-2 bezeichnet ist, der Massentransferkammer aus und geht durch die Öffnungen B und A des Vierwegventils 16 hindurch, um durch die Leitung 32 zu dem Einlaß des Reservoirs 30 zurückgeführt zu werden, von welchem das Nährmedium in der vorher beschriebenen Art und Weise zirkuliert wird.The four-way valve 16 has two positions. In what is referred to as a first position, the port C is connected to the port D and the port B is connected to the port A. In this mode of operation, the nutrient soup in the line 24 is caused to flow from the reservoir 30 by means of the pump 20 into the line 22 from which it enters the port C, discharges through the port D into the line 18 and enters the hollow fiber membrane bioreactor at its E- 2. At the same time, the contacted nutrient soup exits through the opposite end, designated inlet E-2, of the mass transfer chamber and passes through ports B and A of the four-way valve 16 to be returned through line 32 to the inlet of reservoir 30 from which the nutrient medium is circulated in the manner previously described.
Wenn das Vierwegventil 16 darin ist, was als dessen zweite Position bezeichnet wird, ist die Öffnung C mit der Öffnung B verbunden, und demgemäß entlädt das Ventil die Nährstoffsuppe in die Leitung 14, von welcher es in die die Hohlfasermembrane enthaltende Massentransferkammer an dem mit E-1 bezeichneten Einlaß eintritt, durch die inneren Durchgänge der Hohlfasern hindurchgeht und an dem entgegengesetzten Ende der Massentransferkammer, das mit E-2 bezeichnet ist, zur Zurückführung in der Leitung 18 durch die Öffnungen D und A des Vierwegventils 16 und die Leitung 32 zu dem Reservoir 30 austritt.When the four-way valve 16 is in what is referred to as its second position, port C is connected to port B and, accordingly, the valve discharges the nutrient soup into line 14 from which it enters the mass transfer chamber containing the hollow fiber membrane at the inlet designated E-1, passes through the internal passageways of the hollow fibers and exits at the opposite end of the mass transfer chamber designated E-2 for return in line 18 through ports D and A of the four-way valve 16 and line 32 to the reservoir 30.
Das Umschalten des Vierwegventils kann entweder manuell ausgeführt werden, oder durch einen automatischen Stellantrieb, wie er schematisch in Figur 2 veranschaulicht ist, in welcher das Ventil 16 durch eine geeignete automatische Steuereinrichtung 54 gesteuert wird, die betriebsmäßig mit der Ventilanordnung durch Steuersignaldrähte 56 verbunden ist. Der fortgesetzte Betrieb des Bioreaktorsystems mit Repositionierung des Ventils 16 entweder manuell oder durch Fernsteuerung, von z.B. einem pneumatischen oder elektrischen Stellantrieb, resultiert demgemäß in einer ausgeglichenen Abgabe von Nährstoffen an die Massentransferkammer abwechselnd von deren jeweiligen Enden. Ein periodisches Umschalten der Strömung in dieser Art und Weise gemäß einem vorbestimmten zyklischen Zeitplan steigert auch den Transport von metabolischen Abfällen weg von den Zellen. Weiter führt das erhöhte Rühren, das mit dem Umschalten der Nährstoffströmungen verbunden ist, zu einer homogeneren Umgebung mit Bezug auf andere metabolische Parameter.Switching of the four-way valve can be accomplished either manually or by an automatic actuator, as illustrated schematically in Figure 2, in which the valve 16 is controlled by a suitable automatic controller 54 operatively connected to the valve assembly by control signal wires 56. Continued operation of the bioreactor system with repositioning of the valve 16 either manually or by remote control, e.g., from a pneumatic or electric actuator, thus results in a balanced delivery of nutrients to the mass transfer chamber alternately from its respective ends. Periodically switching the flow in this manner according to a predetermined cyclic schedule also increases the transport of metabolic waste away from the cells. Furthermore, the increased agitation associated with switching the nutrient flows results in a more homogeneous environment with respect to other metabolic parameters.
Abgesehen von der vorher beschriebenen zyklischen Vierwegventilschalteinrichtung ist das System der Figur 2 in allen Hinsichten mit demjenigen der Figur 1 identisch, ausgenommen das Vorsehen von zwei Ventilen in Reihe an jeder der Öffnungen 38 und 40. An der ersten Öffnung 38 umfaßt die Ventilanordnung 42 ein erstes Ventil 46 angrenzend an die Öffnung und ein zweites Ventil 44, das in Reihe mit dem ersten Ventil geschaltet ist, wie dargestellt. Ein ähnlicher Aufbau ist an der zweiten Öffnung 40 angewandt, wo die Doppelventilanordnung 48 ein erstes Ventil 52 und ein zweites, äußeres Ventil 50 umfaßt.Except for the four-way cyclic valve switching mechanism previously described, the system of Figure 2 is identical in all respects to that of Figure 1 except for the provision of two valves in series at each of the ports 38 and 40. At the first port 38, the valve assembly 42 includes a first valve 46 adjacent the port and a second valve 44 connected in series with the first valve, as shown. A similar construction is used at the second port 40 where the dual valve assembly 48 includes a first valve 52 and a second, outer valve 50.
Die im vorhergehenden Absatz beschriebene Doppelventilanordnung wird in der Praxis in hohem Maße bevorzugt, da sie eine Zellimpfung der zwischenräumlichen Durchgänge im Hohlfaserbündel wie auch ein Abziehen der Produktzellkultur aus den zwischenräumlichen Durchgängen in einer Art und Weise gestattet, die es möglich machen, eine vollständige Sterilität der Einrichtung aufrechtzuerhalten. Speziell ist in der früheren Praxis der Verwendung von mit Öffnungen versehenen Hohlfaser- Zellwachstumskammern nur ein Ventil auf jeder Öffnung angewandt worden. In einer solchen Einzelventilanordnung führt das Einführen des Zellmediums in die oder das Abziehen des Zellmediums aus der Massentransferkammer zum Verlust der Sterilität der inneren Oberflächen des Ventils, wodurch das Potential für die Kontamination der Massentransferkammer erhöht wird, sofern nicht die Vorrichtung daraufhin völlig abgeschaltet wird und die Ventile entfernt und in einem Autoklaven behandelt werden. Obwohl einige Versuche in der Vergangenheit unternommen worden sind, mit einem einzigen Ventil versehene Öffnungen dadurch zu sterilisieren, daß übererhitzter Dampf gegen die Ventilkörperstruktur gerichtet wurde, erreicht eine solche Sterilisationsweise nicht die inneren Oberflächen des Ventils, welches geschlossen sein muß, um den Inhalt in der Massentransferkammer zurückzuhalten.The dual valve arrangement described in the preceding paragraph is highly preferred in practice because it allows for cell inoculation of the interstitial passages in the hollow fiber bundle as well as withdrawal of the product cell culture from the interstitial passages in a manner that makes it possible to maintain complete sterility of the device. Specifically, in the previous practice of using ported hollow fiber cell growth chambers, only one valve has been used on each port. In such a single valve arrangement, the introduction of cell medium into or withdrawal of cell medium from the mass transfer chamber results in loss of sterility of the internal surfaces of the valve, thereby increasing the potential for contamination of the mass transfer chamber unless the device is then completely shut down and the valves removed and autoclaved. Although some attempts have been made in the past to sterilize single-valved ports by directing superheated steam against the valve body structure, such a sterilization approach does not reach the internal surfaces of the valve, which must be closed to retain the contents in the mass transfer chamber.
Im Gegensatz hierzu gestattet die gezeigte Doppelventilanordnung eine leichte Sterilisierung der Ventilanordnung in einer Art und Weise, welche die Sterilität der verbundenen Einrichtung festhält, durch das einfache Mittel des Öffnens des äussersten Ventils (42 oder 48), während das entsprechende innere Ventil (46 oder 52) geschlossen gehalten wird, und überhitzter Dampf oder ein anderes Sterilisationsmittel wird in das geöffnete äußere Ventil geleitet, um eine vollständige Sterilisierung desselben zu bewirken. In dieser Art und Weise wird eine sterile Barriere an der Massentransferkammer selbst während fortgesetztem Betrieb und ohne die Notwendigkeit aufrechterhalten, die Vorrichtung zum Behandeln der Ventilelemente in einem Autoklaven abzuschalten. Obwohl einfach im Charakter ist dieser Doppelventilaufbau ein signifikanter Fortschritt in der Technik aufgrund der Kritikalität der Sterilität im Zellwachstum wie auch in zahlreichen anderen Massentransfervorgängen, in denen Bioreaktoren der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art angewandt werden können.In contrast, the double valve arrangement shown allows easy sterilization of the valve arrangement in a Manner which maintains the sterility of the associated device by the simple expedient of opening the outermost valve (42 or 48) while keeping the corresponding inner valve (46 or 52) closed, and superheated steam or other sterilant is passed into the opened outer valve to effect complete sterilization thereof. In this manner, a sterile barrier is maintained at the mass transfer chamber even during continued operation and without the need to shut down the apparatus for treating the valve elements in an autoclave. Although simple in character, this dual valve construction is a significant advance in the art due to the criticality of sterility in cell growth as well as in numerous other mass transfer operations in which bioreactors of the type shown in Figures 1 and 2 may be employed.
Figuren 3 und 4 sind vereinfachte schematische Darstellungen der inneren Strömungsdurchgänge eines illustrativen Vierwegventils der generellen Art, die in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Figur 3 zeigt das Vierwegventil in einer ersten Position, in welcher das innere Element 17 des Ventils 16 so ausgerichtet ist, daß die Ventilöffnungen B und A in Strömungsverbindung miteinander sind, und die Öffnungen C und D sind in Strömungsverbindung miteinander. Durch eine 90º- Drehung des Ventilelements 17 wird die in Figur 4 gezeigte Konfiguration, die als die zweite Position bezeichnet wird, erreicht. In dieser Position sind die Ventilöffnungen B und C in Fluidverbindung miteinander, während in entsprechender Weise eine Strömungsverbindung zwischen den Öffnungen A und D hergestellt ist. Durch erneute Bezugnahme auf die in den Figuren 1 und 2 schematisch veranschaulichten Systeme kann man sehen, daß die Veränderung der Ventilposition zwischen den jeweiligen, in den Figuren 3 und 4 gezeigten Konfigurationen ein zyklisch alternierendes Umschalten der Nährmediumströmung zu den jeweiligen Enden der Massentransferkammer, welche die Hohlfasermembrane 12 enthält, bewirkt.Figures 3 and 4 are simplified schematic representations of the internal flow passages of an illustrative four-way valve of the general type described in connection with Figures 1 and 2. Figure 3 shows the four-way valve in a first position in which the inner member 17 of the valve 16 is oriented so that the valve ports B and A are in fluid communication with each other and the ports C and D are in fluid communication with each other. By rotating the valve member 17 90°, the configuration shown in Figure 4, referred to as the second position, is achieved. In this position, the valve ports B and C are in fluid communication with each other while a fluid communication is established between the ports A and D in a corresponding manner. Referring again to the systems schematically illustrated in Figures 1 and 2, it can be seen that changing the valve position between the respective configurations shown in Figures 3 and 4 causes a cyclically alternating switching of the nutrient medium flow to the respective ends of the mass transfer chamber containing the hollow fiber membrane 12.
Obwohl die Massentransferkammer unter spezieller Bezugnahme auf ein Hohlfaserbündel als das Massentransferoberflächenelement beschrieben worden ist, ist es innerhalb des Bereichs der Erfindung, andere Massentransferelemente zu verwenden, wie ebene Membranen, durch welche ein Massentransfer bewirkt werden kann, es versteht sich weiter, daß die Anzahl von speziellen Durchgängen innerhalb der Massentransferkammer in weitem Umfange in Abhängigkeit von den speziellen Massentransfermedien und der Anwendung, die verwendet werden, variiert werden kann.Although the mass transfer chamber has been described with specific reference to a hollow fiber bundle as the mass transfer surface element, it is within the scope of the invention to use other mass transfer elements, such as planar membranes, through which mass transfer can be effected, it being further understood that the number of specific passageways within the mass transfer chamber can be varied widely depending on the particular mass transfer media and application being used.
Figur 5 ist eine schematische Zeichnung eines Massentransfersystems, das für andere Massentransferoperationen verwendet werden kann, als es die erläuternd in Verbindung mit den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 beschriebenen Zellwachstumsprozesse sind. Die Vorrichtung der Figur 5 kann z.B. Nützlichkeit haben für Massentransferoperationen wie: Entsalzen von pharmazeutischen Zusammensetzungen; Entsalzen, Extraktion oder Fraktionieren von Blut, Plasma oder Serummaterialien; und Gewinnen von abgesonderten oder intrazellulär erzeugten biologischen Materialien, wie Interferone, Interleukine, Immunoglobine, Wachstumsfaktoren, Gerinnungsfaktoren, etc.Figure 5 is a schematic drawing of a mass transfer system that can be used for mass transfer operations other than the cell growth processes illustratively described in connection with the embodiments of Figures 1 and 2. For example, the device of Figure 5 can have utility for mass transfer operations such as: desalting pharmaceutical compositions; desalting, extracting or fractionating blood, plasma or serum materials; and recovering secreted or intracellularly produced biological materials such as interferons, interleukins, immunoglobins, growth factors, coagulation factors, etc.
In Figur 5 sind alle Systemelemente, die jenen entsprechen, welche in Figur 1 und 2 gezeigt sind, denselben entsprechend numeriert durch Hinzufügung von 100 zu den entsprechenden Bezugszahlen der Figur 1 bis 2.In Figure 5, all system elements corresponding to those shown in Figures 1 and 2 are numbered accordingly by adding 100 to the corresponding reference numbers of Figures 1 to 2.
In diesem Massentransfersystem enthält die Massentransferkammer ein Hohlfaserbündel 112, welches einen ersten Satz von inneren Durchgängen in den dasselbe bildenden Hohlfasern liefert, durch welche ein erstes Medium, das vom Reservoir 130 zugeführt wird, strömen gelassen wird. Gleichzeitig wird ein zweites Massentransfermedium, das in einem zweiten Reservoir 180 gespeichert ist, in der Leitung 182 abgezogen, zu der peristaltischen Pumpe 184 strömen gelassen und in die Leitung 186 entladen, von welcher es an der Öffnung 190 in die Massentransferkammer eintritt und longitudinal durch die zwischenräumlichen Durchgänge in dem Hohlfaserbündel strömt. Nach einer solchen Longitudinalströmung, in welcher das zweite Medium mit dem ersten Massentransfermedium kontaktiert wird, das gleichzeitig durch die inneren Durchgänge des Hohlfaserbündels strömen gelassen wird, wird das kontaktierte zweite Medium aus der Massentransferkammer in der Öffnung 192 entladen und in der Leitung 188 zurück zum zweiten Reservoir 180 fließen gelassen. Eine sterile Barriere an der Massentransferkammer kann durch Doppelventilanordnungen 142 und 148 vorgesehen sein, wie auf der dritten und vierten Öffnung 138 bzw. 140 der Massentransferkammer dargestellt ist.In this mass transfer system, the mass transfer chamber contains a hollow fiber bundle 112 which provides a first set of internal passages in the hollow fibers forming the same through which a first medium supplied from reservoir 130 is allowed to flow. Simultaneously, a second mass transfer medium stored in a second reservoir 180 is withdrawn in line 182 to which peristaltic pump 184 and discharged into line 186 from which it enters the mass transfer chamber at port 190 and flows longitudinally through the interstitial passages in the hollow fiber bundle. After such longitudinal flow in which the second medium is contacted with the first mass transfer medium which is simultaneously flowed through the internal passages of the hollow fiber bundle, the contacted second medium is discharged from the mass transfer chamber at port 192 and allowed to flow in line 188 back to the second reservoir 180. A sterile barrier at the mass transfer chamber may be provided by dual valve assemblies 142 and 148 as shown on the third and fourth ports 138 and 140 of the mass transfer chamber, respectively.
Figur 6 zeigt eine Abwandlung des in Figur 2 dargestellten Zellwachstumssystems, worin entsprechende Systemelemente unter Bezug auf Figur 2 durch Hinzufügung von 200 zu den Bezugszahlen der gleichen oder entsprechender Elemente der Figur 2 entsprechend numeriert worden sind.Figure 6 shows a modification of the cell growth system shown in Figure 2, wherein corresponding system elements have been numbered accordingly with reference to Figure 2 by adding 200 to the reference numbers of the same or corresponding elements of Figure 2.
Wie in der Ausführungsform der Figur 2 umfaßt die Massentransferkammer ein Hohlfaserbündel 212, deren innere Strömungsdurchgänge innerhalb der Hohlfasern mit jeweiligen Einlässen E-1 und E-2 der Kammer in Verbindung stehen, welche ihrerseits jeweils durch Leitungen 214 und 218 mit Öffnungen B und D der Ventilanordnung 216 verbunden sind. Die Öffnung C der Ventilanordnung ist mit der Leitung 222 verbunden, und die Öffnung A mit der Leitung 232a, um beim Umschalten der Ventilanordnung in der vorstehen beschriebenen Art und Weise eine sich umkehrende Strömung durch die Massentransferkammer vorzusehen. Die Ventilanordnung umfaßt einen Stellantrieb, welcher durch Steuersignale betätigt wird, die in Signaldrähten 256 von der einheitlichen Fernsteuerung 254 übertragen werden, wie in größerem Detail hier nachstehend beschrieben ist.As in the embodiment of Figure 2, the mass transfer chamber includes a hollow fiber bundle 212 having internal flow passages within the hollow fibers communicating with respective inlets E-1 and E-2 of the chamber, which in turn are connected by lines 214 and 218 to ports B and D of the valve assembly 216, respectively. Port C of the valve assembly is connected to line 222 and port A to line 232a to provide reversing flow through the mass transfer chamber upon switching of the valve assembly in the manner described above. The valve assembly includes an actuator which is operated by control signals transmitted in signal wires 256 from the unified remote control 254, as described in more detail hereinafter.
Wie in dem System der Figur 2 hat das in Figur 6 gezeigte System eine erste und zweite Öffnung 238 und 240 auf der Massentransferkammer, mit welchen duale Ventilanordnungen 242 bzw. 248 verbunden sind. Die Massentransferkammer weist weiter eine dritte Öffnung 260 und eine vierte Öffnung 261 auf, welche mit einem externen Strömungskreislauf verbunden sind, der Leitungen 262 bzw. 264 umfaßt, wodurch die Zellkultur oder ein anderes zweites Medium aus den zwischenräumlichen Durchgängen des Hohlfaserbündels 212 abgezogen und durch den externen Strömungskreislauf mittels der damit verbundenen Pumpe 263 zirkuliert werden kann.As in the system of Figure 2, the system shown in Figure 6 has System includes first and second ports 238 and 240 on the mass transfer chamber to which dual valve assemblies 242 and 248 are connected, respectively. The mass transfer chamber further includes a third port 260 and a fourth port 261 connected to an external flow circuit comprising lines 262 and 264, respectively, whereby the cell culture or other second medium can be withdrawn from the interstitial passageways of the hollow fiber bundle 212 and circulated through the external flow circuit by means of the pump 263 connected thereto.
Die Fernsteuereinheit 254 ist in Steuerbeziehung mit der peristaltischen Pumpe 263 mittels Steuersignalübertragungsdrähten 265 verbunden, so daß die Pumpe 263 periodisch aktiviert und während einer vorbestimmten Zeit betrieben wird, um die Zellmasse außerhalb der Massentransferkammer umzuwälzen. Dieses bewirkt eine Wiederverteilung und ein Rühren der Zellmasse und steigert signifikant die Massentransferwirksamkeit des Systems, was zu einer gleichförmigeren Verteilung des Zellwachstums in dem Hohlfaserbioreaktor führt. Beispielsweise wurde in einigen Zellsystemen gefunden, daß es vorteilhaft ist, die Pumpe 263 in einem 6-Minuten-Zyklus-Zeitprogramm zu betreiben, das ein aktives Pumpen während Perioden in der Größenordnung von etwa einer Minute Dauer und bewegungslose Intervalle zwischen aktivem Pumpen, während denen die Pumpe 263 deaktiviert ist, von angenähert fünf Minuten umfaßt.The remote control unit 254 is connected in control relationship to the peristaltic pump 263 by means of control signal transmission wires 265 so that the pump 263 is periodically activated and operated for a predetermined time to circulate the cell mass outside the mass transfer chamber. This causes redistribution and agitation of the cell mass and significantly increases the mass transfer efficiency of the system, resulting in a more uniform distribution of cell growth in the hollow fiber bioreactor. For example, in some cell systems it has been found advantageous to operate the pump 263 on a 6 minute cycle time schedule, which includes active pumping for periods on the order of about one minute in duration and motionless intervals between active pumping during which the pump 263 is deactivated of approximately five minutes.
Die Fernsteuereinheit 254 ist außerdem betriebsmäßig mit der peristaltischen Pumpe 220 über Steuersignalübertragungsdrähte 266 und mit dem magnetischen Rührer 235 über Steuersignalübertragungsdrähte 267 verbunden.The remote control unit 254 is also operatively connected to the peristaltic pump 220 via control signal transmission wires 266 and to the magnetic stirrer 235 via control signal transmission wires 267.
Durch eine solche Anordnung können die peristaltischen Pumpen 220 und 263, die Vierwegventilanordnung 216 und der magnetische Rührer 235 alle von einem einzigen Fernort her gesteuert werden, so daß dadurch der Aufbau und Betrieb des Systems relativ zu der Verwendung von mehreren Fernsteuereinrichtungen vereinfacht werden.Such an arrangement allows the peristaltic pumps 220 and 263, the four-way valve assembly 216 and the magnetic stirrer 235 to all be controlled from a single remote location, thereby simplifying the design and operation of the system simplified relative to the use of multiple remote control devices.
Wie in dem System der Figur 2 wird Nährstoffsuppe in dem Reservoir 230 gehalten, von welchem sie in der Leitung 224 durch die Pumpe 220 in die Leitung 222 zum Strömen in das Einlaßende E-1 oder E-2 der Massentransferkammer, abhängig von der Position der Vierwegventilanordnung 216, zirkuliert wird.As in the system of Figure 2, nutrient soup is held in the reservoir 230 from which it is circulated in line 224 by the pump 220 into line 222 for flow into the inlet end E-1 or E-2 of the mass transfer chamber, depending on the position of the four-way valve assembly 216.
In Abhängigkeit von dieser Ventilposition wird die ausfliessende Nährstoffsuppe aus der Massentransferkammer entweder in die Leitung 214 oder 218 entladen und über die Rückführströmungsleitung 232, welche die Leitungsabschnitte 232a und 232b umfaßt, zu dem Reservoir 230 bewegt.Depending on this valve position, the effluent nutrient soup from the mass transfer chamber is discharged into either line 214 or 218 and moved to reservoir 230 via return flow line 232, which includes line sections 232a and 232b.
In dieser Rückführströmungsleitung 232, die die Leitungsabschnitte 232a und 232b umfaßt, ist eine zweite Hohlfasermassentransferkammer 2, die ein Einlaßende 4 und ein Auslaßende 3 hat, welche analog zu der vorher beschriebenen Massentransferkammer aufgebaut ist, die die Hohlfasermembrane 212 umfaßt, angeordnet. Die zweite Massentransferkammer ist mit einer ersten Öffnung 5 versehen, die mit einer Doppelventilanordnung 7 verbunden ist, und einer zweiten Öffnung 6, mit der eine Doppelventilanordnung 8 verbunden ist.In this return flow line 232, which comprises the line sections 232a and 232b, a second hollow fiber mass transfer chamber 2 is arranged, which has an inlet end 4 and an outlet end 3, which is constructed analogously to the previously described mass transfer chamber comprising the hollow fiber membrane 212. The second mass transfer chamber is provided with a first opening 5, which is connected to a double valve arrangement 7, and a second opening 6, to which a double valve arrangement 8 is connected.
An ihrem Auslaßende 3 ist die zweite Massentransferkammer mit dem Einlaß 61 einer dritten Massentransferkammer 60, welche ein Hohlfasermassentransferelement umfaßt, durch eine geeignete Verbindungseinrichtung 9 von einem in der Technik bekannten konventionellen Typ verbunden. Das Auslaßende 62 der dritten Massentransferkammer ist seinerseits mit dem vorerwähnten Leitungsabschnitt 232b verbunden.At its outlet end 3, the second mass transfer chamber is connected to the inlet 61 of a third mass transfer chamber 60, which comprises a hollow fiber mass transfer element, by a suitable connecting device 9 of a conventional type known in the art. The outlet end 62 of the third mass transfer chamber is in turn connected to the aforementioned conduit section 232b.
Die dritte Massentransferkammer 60 hat eine erste Öffnung 65, mit der eine Sauerstoffgasversorgungseinrichtung 63 über die Verbindungsleitung 64 verbunden ist. Durch eine solche Anordnung wird Sauerstoff von der Versorgungseinrichtung zu den zwischenräumlichen Durchgängen des Hohlfaserbündels der dritten Massentransferkammer 60 bewegt. Diese Kammer hat eine zweite Öffnung 66, die mit einem Strömungssteuerventil 67, das mit einer Entladungsleitung 68 verbunden ist, zum steuerbaren Austritt von kontakiertem Gas hiervon versehen ist.The third mass transfer chamber 60 has a first opening 65 to which an oxygen gas supply device 63 is connected via the connecting line 64. By such an arrangement, oxygen is supplied from the supply device to the interstitial passages of the hollow fiber bundle of the third mass transfer chamber 60. This chamber has a second opening 66 provided with a flow control valve 67 connected to a discharge line 68 for controllable discharge of contacted gas therefrom.
Im Betrieb strömt die Nährstoffsuppe, die mit der Zellkultur, in der die Hohlfasermembran 212 umfassenden Massentransferkammer kontaktiert worden ist, bevor sie zu dem Reservoir 230 zurückgeführt wird, in der Leitung 232a zu der zweiten Massentransferkammer 2, deren mit Doppelventilen versehene Öffnungen eine sterile Barriere gegen äußere Kontamination des Systems vorsehen. Durch ein solches Mittel kann das Reservoir 230 während des Betriebs des Systems in vollständig geschlossenem Zustand gehalten werden, und zusätzliche Nährstoffmaterialien und/oder Zusätze zu der Nährstoffsuppe können dem System durch die Öffnungen 5 und/oder 6 zum Strömen in die zwischenräumlichen Durchgänge der zweiten Massentransferkammer und diffusionsmässigen und/oder osmolytischen Transfer in die Nährstoffsuppe zugeführt werden, welche in den inneren Durchgängen des Hohlfaserbündels zu dem Reservoir zurückgeführt wird. Demgemäß kann die zurückgeführte Nährstoffsuppe mittels der zweiten Massentransferkammer gepuffert, gereinigt, etc. werden, ohne daß die vorgesehene sterile Barriere dadurch durchbrochen wird. Nach dem Einführen oder Entfernen von Medium durch die Öffnungen 5 oder 6 kann die Öffnung durch Öffnen des äußeren Ventils der Doppelventilanordnung, während das innere Ventil in der geschlossenen Position gehalten wird, und Einführen eines Sterilisationsmittels auf die inneren und äußeren Oberflächen des äußeren Ventils in der vorher beschriebenen Art und Weise sterilisiert werden.In operation, the nutrient soup that has been contacted with the cell culture in the mass transfer chamber comprising the hollow fiber membrane 212, before being returned to the reservoir 230, flows in line 232a to the second mass transfer chamber 2, the double-valved openings of which provide a sterile barrier against external contamination of the system. By such means, the reservoir 230 can be maintained in a fully closed condition during operation of the system, and additional nutrient materials and/or additives to the nutrient soup can be supplied to the system through the openings 5 and/or 6 for flow into the interstitial passages of the second mass transfer chamber and diffusional and/or osmolytic transfer into the nutrient soup that is returned to the reservoir in the internal passages of the hollow fiber bundle. Accordingly, the returned nutrient soup can be buffered, cleaned, etc. by means of the second mass transfer chamber without breaching the intended sterile barrier. After introducing or removing medium through the openings 5 or 6, the opening can be sterilized by opening the outer valve of the dual valve assembly while the inner valve is held in the closed position and introducing a sterilizing agent onto the inner and outer surfaces of the outer valve in the manner previously described.
Für das Wachstum von aerobischen Zellkulturen in der ersten Massentransferkammer, die das Hohlfaserbündel 212 umfaßt, ist es wichtig, einen geeigneten aufgelösten Sauerstoffgehalt der Nährstoffsuppe aufrechtzuerhalten, die durch das Reservoir 230 zugeführt wird. Eine Sauerstoffanreicherung des Nährmediums wird in dem System der Figur 6 durch die dritte Massentransferkammer 60 bewirkt. Sauerstoffgas von der Quelle 63 wird in die Leitung 64 eingeführt und tritt in der Öffnung 65 in die dritte Massentransferkammer ein, von welcher sie in die zwischenräumlichen Durchgänge in dem Hohlfaserbündel eintritt und in die inneren Durchgänge des Hohlfaserbündels, die das strömende Nährmedium enthalten, übertragen wird. Sauerstoffabgereichertes Gas aus dem Massentransferkontaktierungsvorgang wird aus der dritten Kammer durch die Öffnung 66 entladen und strömt in die Entladungsleitung 68, wie das durch das Strömungssteuerventil 67 gesteuert wird. Das Strömungssteuerventil 67 kann durch eine geeignete Kopplung mit einer Sauerstofffühleinrichtung, wie einer Sonde für gelösten Sauerstoff in der Nährstoffsuppe im Reservoir 230 oder einen sauerstofffühlenden Gasanalysator, welcher dazu angewandt wird, den Sauerstoffgehalt des aus der Leitung 68 abgelassenen Gases abzufühlen, rückkopplungsgesteuert sein, wodurch das Strömungssteuerventil 67 ansprechend auf die Sauerstoffkonzentrationsabfühlung eingestellt werden kann, so daß der Sauerstoffgehalt der Nährstoffsuppe im Reservoir 230 auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird.For the growth of aerobic cell cultures in the first mass transfer chamber comprising the hollow fiber bundle 212, it is important to maintain an appropriate dissolved oxygen content of the nutrient soup supplied by the reservoir 230. Oxygen enrichment of the nutrient medium is effected in the system of Figure 6 by the third mass transfer chamber 60. Oxygen gas from source 63 is introduced into line 64 and enters the third mass transfer chamber at port 65 from which it enters the interstitial passages in the hollow fiber bundle and is transferred to the internal passages of the hollow fiber bundle containing the flowing nutrient medium. Oxygen-depleted gas from the mass transfer contacting process is discharged from the third chamber through port 66 and flows into discharge line 68 as controlled by flow control valve 67. The flow control valve 67 may be feedback controlled by suitable coupling to an oxygen sensing device, such as a probe for dissolved oxygen in the nutrient soup in the reservoir 230 or an oxygen sensing gas analyzer used to sense the oxygen content of the gas exhausted from the line 68, whereby the flow control valve 67 can be adjusted in response to the oxygen concentration sensing so that the oxygen content of the nutrient soup in the reservoir 230 is maintained at a predetermined level.
Figuren 7 und 8 zeigen die strukturellen Merkmale der einheitlichen Fernsteuereinheit 254, die schematisch in Figur 6 veranschaulicht ist. In dieser Fernsteuereinheit ist die elektronische Steuerschaltung in einem Gehäuse enthalten, welches ein oberes Teil 302, ein Bodenteil 310, Seitenwände 304 und 306 und eine Rückwand 308 umfaßt.Figures 7 and 8 show the structural features of the unified remote control unit 254 schematically illustrated in Figure 6. In this remote control unit, the electronic control circuit is contained in a housing which includes a top portion 302, a bottom portion 310, side walls 304 and 306, and a rear wall 308.
Auf dem oberen Teil 302 ist eine Steuertafel 316 angeordnet, die einen Ein-Aus-Schalter 318 für die magnetische Rührersteuerung 320 umfaßt, welche manuell so eingestellt werden kann, daß eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit für den magnetischen Rührer 235 festgesetzt wird (siehe Figur 6).On the upper part 302 there is arranged a control panel 316, which includes an on-off switch 318 for the magnetic stirrer control 320, which can be manually adjusted to set a predetermined rotational speed for the magnetic stirrer 235 (see Figure 6).
Der Ein-Aus-Schalter 330 schaltet die Ventilzeitgebungssteuerung 332 ein, welche manuell so eingestellt werden kann, daß sie die Schaltfrequenz der Vierwegventilanordnung 216 der Figur 6 variiert. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Ventilzeitgebungssteuerung so aufzubauen, daß Schaltintervalle über einen Bereich von 1-Minuten-Schritten von einer bis 5 Minuten geliefert werden, so daß die Strömung der Nährstoffe durch die Zellwachstumsmassentransferkammer periodisch an und von solchen vorbestimmten Zeitintervallen gemäß einem ausgewählten Zeitplan des Betriebs für das gegebene System umgekehrt werden kann.The on-off switch 330 turns on the valve timing control 332, which can be manually set so that it varies the switching frequency of the four-way valve assembly 216 of Figure 6. In practice, it has been found advantageous to design the valve timing control to provide switching intervals over a range of 1 minute increments from one to five minutes so that the flow of nutrients through the cell growth mass transfer chamber can be reversed periodically at and from such predetermined time intervals according to a selected schedule of operation for the given system.
Der Ein-Aus-Schalter 322 setzt die Pumpensteuerung 324 unter Strom, welche manuell so einstellbar ist, daß eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit für die Pumpe 220 in Figur 6 festgesetzt wird.The on-off switch 322 energizes the pump control 324, which is manually adjustable to set a predetermined rotational speed for the pump 220 in Figure 6.
In entsprechender Weise setzt der Ein-Aus-Schalter 326 die Pumpensteuerung 328 unter Strom, welche manuell so einstellbar ist, daß eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit für die Pumpe 263 vorgesehen wird.Similarly, the on-off switch 326 energizes the pump control 328, which is manually adjustable to provide a predetermined rotational speed for the pump 263.
Figur 8 zeigt die Einzelheiten der Rückwand 308 der Fernsteuereinheit. Die Fernsteuereinheit ist, wie gezeigt, auf Laufrollen 312 und 314 abgestützt, welche aus einem elastischen Material, wie Neoprengummi, sein können, um die Vibrationen des Systems zu dämpfen und eine Beschädigung der elektronischen Schaltung zu verhindern, die innerhalb der Einheit enthalten ist.Figure 8 shows the details of the rear panel 308 of the remote control unit. The remote control unit is supported, as shown, on casters 312 and 314, which may be made of a resilient material such as neoprene rubber, to dampen the vibrations of the system and prevent damage to the electronic circuitry contained within the unit.
Elektrischer Strom wird der elektronischen Schaltung in der Einheit mittels eines Stromkabel-Verbindungssockels 336 zugeführt, dem ein Sicherungshalter 338 benachbart ist, der eine geeignet bemessene Sicherung für den Schutz der elektronsichen Schaltung enthält. Ein Hauptschalter 334 sieht die elektrische Unterstromsetzung der Schaltung in der Einheit vor.Electrical power is supplied to the electronic circuitry in the unit by means of a power cable connection socket 336 adjacent to which is a fuse holder 338 containing a suitably rated fuse for protecting the electronic circuitry. A main switch 334 provides electrical energization of the circuitry in the unit.
Auf der rechten Seite der Rückwand 308 sind, wie in Figur 8 gezeigt, geeignete elektrische Sockel für die Verbindung der Fernsteuereinheit mit den Steuersignalübertragungsdrähten für die gesteuerten Elemente des Systems vorgesehen. Demgemäß nimmt der Sockel 340 einen Stecker auf, der mit Signalsteuerdrähten 365 verbunden ist, der Sockel 342 nimmt einen Stecker auf, der mit Signalsteuerdrähten 266 verbunden ist, der Sockel 344 nimmt einen Stecker auf, der mit Signalsteuerdrähten 267 verbunden ist, und der Sockel 346 nimmt einen Stecker auf, der mit Signalsteuerdrähten 256 verbunden ist, wobei Bezug auf die Steuerdrähte genommen wird, wie sie in Figur 6 identifiziert sind.On the right side of the rear panel 308, as shown in Figure 8, there are suitable electrical sockets for connecting the Remote control unit is provided with the control signal transmission wires for the controlled elements of the system. Accordingly, socket 340 receives a plug connected to signal control wires 365, socket 342 receives a plug connected to signal control wires 266, socket 344 receives a plug connected to signal control wires 267, and socket 346 receives a plug connected to signal control wires 256, reference being made to the control wires as identified in Figure 6.
Figur 9 ist ein schematisches elektrisches Blockschaltbild des Fernsteuersystems und zugehöriger gesteuerter Elemente.Figure 9 is a schematic electrical block diagram of the remote control system and associated controlled elements.
Strom zu der Fernsteuereinheit wird in Stromführungsleitungen 400 und 401 zugeführt (wie sie mit der Fernsteuereinheit durch einen zugehörigen Stecker im Sockel 336 verbunden sind, wie in Figur 8 gezeigt ist).Power to the remote control unit is supplied in power lines 400 and 401 (as connected to the remote control unit through an associated connector in socket 336 as shown in Figure 8).
Strom von den Hauptstromleitungen wird zu der Variabelgeschwindigkeitssteuerung 414 übertragen, von welcher elektrische Steuersignale in Drähten 266a und 266b zu der Pumpe 220 übermittelt werden.Power from the main power lines is transmitted to the variable speed controller 414, from which electrical control signals are transmitted in wires 266a and 266b to the pump 220.
Zweigstromleitungen 408 und 409 fördern Strom zu der Zeitgebungseinrichtung 410, die mittels Steuersignaldrähten 411 und 412 mit der Variabelgeschwindigkeitssteuerung 413 verbunden ist, die ihrerseits mittels Signaldrähten 265a und 265b in Signalsteuerbeziehung mit der Pumpe 263 verbunden ist. Zweigleitungen 415 und 416 übermitteln elektrischen Strom von den Leitungen 408 bzw. 409 direkt zu der Variabelgeschwindigkeitssteuerung 413. In derartiger Weise wird die Variabelgeschwindigkeitssteuerung während der Periode eingeschaltet, welche die Zeitgebungseinrichtung für den aktiven Betrieb der Pumpe 263 bestimmt, übereinstimmend mit der vorstehend beschriebenen Verwendung der Pumpe 263, periodisch Nährstoffsuppe in dem externen Strömungskreislauf zu zirkulieren, welcher die Leitungen 262 und 264 umfaßt (siehe Figur 6). Während der dazwischenliegenden Ruheperioden, in denen der äußere Strömungskreislauf nicht verwendet wird, empfängt die Zeitgebungseinrichtung 410 Strom von den Zweigleitungen 408 und 409, aber arbeitet nicht dahingehend, daß sie die Variabelgeschwindigkeitssteuerung betätigt.Branch power lines 408 and 409 convey power to timing device 410 which is connected by control signal wires 411 and 412 to variable speed control 413 which in turn is connected by signal wires 265a and 265b in signal control relationship to pump 263. Branch lines 415 and 416 convey electrical power from lines 408 and 409 respectively directly to variable speed control 413. In such a manner, variable speed control is energized during the period which the timing device determines for active operation of pump 263, consistent with the above-described use of pump 263 to periodically circulate nutrient soup in the external flow circuit which lines 262 and 264 (see Figure 6). During the intervening idle periods when the external flow circuit is not being used, the timing device 410 receives power from the branch lines 408 and 409 but does not operate to actuate the variable speed control.
Zweigstromleitungen 405 und 406 fördern Strom zu der Geschwindigkeitssteuerung 407, welche durch Signalsteuerübertragungsdrähte 267a und 267b mit dem magnetischen Rührer 235 verbunden ist, wodurch eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit des magnetischen Rührers bewirkt werden kann.Branch power lines 405 and 406 supply power to the speed controller 407, which is connected to the magnetic stirrer 235 through signal control transmission wires 267a and 267b, whereby a predetermined rotational speed of the magnetic stirrer can be effected.
Schließlich fördern Zweigstromleitung 402 und 403 Strom zu der Zeitgebungseinrichtung 404, welche mittels der Signalübertragungdrähte 256a und 256b in Signalsteuerbeziehung mit der Vierwegventilanordnung verbunden ist, die den Ventilstellantrieb 216a und das Ventil 216b umfaßt.Finally, branch power lines 402 and 403 supply power to the timing device 404 which is connected by means of the signal transmission wires 256a and 256b in signal control relationship to the four-way valve assembly comprising the valve actuator 216a and the valve 216b.
Der spezielle Aufbau und die spezielle Anordnung der elektronischen Schaltung für die Variabelgeschwindigkeitssteuerungen und Zeitgebungseinrichtungen können im Charakter konventionell sein und können in weitem Umfange in den speziellen Merkmalen variieren, wobei es nur erforderlich ist, daß eine solche Schaltung in geeigneter Weise vereinigt ist, wenn sie in einer einheitlichen Fernsteuerung verwendet wird, wie veranschaulichend in den Figuren 7 und 8 gezeigt ist.The specific construction and arrangement of the electronic circuitry for the variable speed controls and timing devices may be conventional in character and may vary widely in specific features, it only being necessary that such circuitry be suitably unified when used in a unitary remote control, as illustratively shown in Figures 7 and 8.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden vollständiger unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele gezeigt, worin alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen sind, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.The features and advantages of the invention will be more fully demonstrated by reference to the following examples, in which all parts and percentages are by weight, unless expressly stated otherwise.
Ein Hohlfaserbioreaktorsystem 10 wurde aufgebaut, wie es vorher in Figur 1 beschrieben worden ist. Dieses System wurde unter Verwendung von Hypochloritlösung chemisch sterilisiert und mit sterilem entionisiertem Wasser gespült. Das System wurde dann mit Kulturmedium gefüllt, RPMI 1640 mit 5 % fötalem Kalbserum, und während 48 Stunden bei 37ºC in einem 5 % Kohlendioxid, keine Feuchtigkeitsumgebung, als eine Kontrolle für Sterilität und Systemgleichgewicht inkubiert.A hollow fiber bioreactor system 10 was constructed as previously described in Figure 1. This system was tested under Chemically sterilized using hypochlorite solution and rinsed with sterile deionized water. The system was then filled with culture medium, RPMI 1640 with 5% fetal calf serum, and incubated for 48 hours at 37ºC in a 5% carbon dioxide, no humidity environment as a control for sterility and system equilibrium.
Eine Impfung des Zelltyps EL-4-IL-2 wurde aus Vorratskulturen hergestellt und in den extrakapillaren Raum des Hohlfaserbioreaktors geimpft. Das System wurde erneut während 20 Tagen mit Medien inkubiert, die geändert wurden, wie es gemäß der früheren Praxis für diesen Zelltyp erforderlich war. Das Vierweg- LL-Ventil 16 wurde jede halbe Stunde während des Arbeitstags umgeschaltet und einmal jede Nacht, gewöhnlich etwa Mitternacht, wobei Sorge getragen wurde, eine veränderte Positionierung an aufeinanderfolgenden Nächten zu verwenden.An inoculation of the EL-4-IL-2 cell type was prepared from stock cultures and inoculated into the extracapillary space of the hollow fiber bioreactor. The system was again incubated for 20 days with media changed as required by previous practice for this cell type. The four-way LL valve 16 was switched every half hour during the working day and once every night, usually around midnight, taking care to use a different positioning on consecutive nights.
Die spezielle verwendete Zellkultur war vorher in Membranbioreaktoren gewachsen und es war beobachtet worden, daß sie dichter am Einlaßende wächst. In diesem Experiment wurde mit dem Vierweg-LL-Ventil 16 das Zellwachstum überall in der Wachstumskammer 12 gleich verteilt. Der benutzte Zelltyp wird allgemein als eine Suspensionskultur bezeichnet, welche eine leichte Visualisierung des Zellwachstums durch einfache Flüssigkeitstrübheitsbeobachtung ermöglicht.The particular cell culture used had previously been grown in membrane bioreactors and had been observed to grow closer to the inlet end. In this experiment, the four-way LL valve 16 was used to evenly distribute cell growth throughout the growth chamber 12. The cell type used is generally referred to as a suspension culture, which allows for easy visualization of cell growth by simple liquid turbidity observation.
Ein einfaches Hohlfaserbioreaktorsystem 10 wurde aufgebaut, wie es vorher in Figur 1 beschrieben worden ist. Dieses System wurde dann mit Kulturmedium gefüllt, MEM mit Earlessalzen, nichtwichtigen Aminosäuren und 10 % fötalem Kalbserum, und während 48 Stunden bei 37ºC in einem 5 % Kohlendioxid, keine Feuchtigkeitsumgebung, als eine Kontrolle für Sterilität und Systemgleichgewicht inkubiert.A simple hollow fiber bioreactor system 10 was constructed, as previously described in Figure 1. This system was then filled with culture medium, MEM with Earle's salts, non-essential amino acids and 10% fetal calf serum, and incubated for 48 hours at 37ºC in a 5% carbon dioxide, no humidity environment as a control for sterility and system equilibrium.
Eine Impfung vom Zelltyp BALB-3T3 wurde aus Vorratskulturen hergestellt und in den extrakapillaren Raum des Hohlfaserbioreaktors geimpft. Das System wurde dann während zustätzlichen 30 Tagen inkubiert, wobei die Medien gewechselt wurden, wie es gemäß früherer Praxis für diesen Zelltyp erforderlich war. Das Vierweg-LL-Ventil 16 wurde jede halbe Stunde während des Arbeitstags und einmal jede Nacht, gewöhnlich etwa Mitternacht, umgeschaltet, wobei Sorge dafür getragen wurde, eine wechselnde Positionierung an aufeinanderfolgenden Nächten zu verwenden.A seed of BALB-3T3 cell type was prepared from stock cultures and seeded into the extracapillary space of the hollow fiber bioreactor. The system was then incubated for an additional 30 days, changing media as required by previous practice for this cell type. The four-way LL valve 16 was switched every half hour during the working day and once each night, usually around midnight, taking care to use alternating positioning on consecutive nights.
Die in diesem Beispiel verwendete Kultur war vorher in Membranbioreaktoren gewachsen, wo beobachtet worden war, daß ein Vorherrschen von Zellknötchen, die für Zellproliferation indikativ sind, primär am Nährstoffeinlaß gebildet wurde. Als die Zellen in dem Bioreaktorsystem 10 unter Verwendung des Vierweg-LL-Ventils 16 kultiviert wurden, waren Knötchen überall in dem Hohlfasermodul sichtbar. Zusätzlich wurde das Hohlfasermodul aufgeschlitzt, und individuelle Fasern wurden mikroskopisch mit und ohne die Hilfe von Färbung, Hämatoxylin und Eosin, untersucht, und es wurde eine gleichförmige Zellproliferation an beiden Enden der Fasern beobachtet.The culture used in this example had previously been grown in membrane bioreactors where it had been observed that a predominance of cell nodules, indicative of cell proliferation, was formed primarily at the nutrient inlet. When the cells were cultured in the bioreactor system 10 using the four-way LL valve 16, nodules were visible throughout the hollow fiber module. In addition, the hollow fiber module was slit open and individual fibers were examined microscopically with and without the aid of stain, hematoxylin and eosin, and uniform cell proliferation was observed at both ends of the fibers.
Ein Hohlfaserbioreaktorsystem 110 wurde, wie in Figur 6 abgebildet, aufgebaut. Das System wurde autoklavensterilisiert, ausgenommen den Hohlfaser-Sauerstoffanreicherer 60, welcher aseptisch in die Nährstoffrückführleitung eingefügt wurde, wie abgebildet. Das System wurde dann mit einem Kulturmedium, modifiziertem Frey'schem Medium, ergänzt mit 8 % zur Familie der Schweine gehörendem Serum, pH 7,0, durch die Sterilbarrieren- Tangentialströmungseinrichtung 2 gefüllt und während 48 Stunden bei 37ºC in Umgebungsluft inkubiert als eine Kontrolle für Sterilität und Systemgleichgewicht. Eine 20 Milliliter-0,1 %-Zellsuspension von Mycoplasma galasepticum wurde in den extrakapillaren Raum (zwischenräumliche Durchgänge) des Hohlfaserbioreaktors 112 geimpft. Das System wurde dann während 35 Tagen mit Medien inkubiert, die gewechselt wurden, wie es basierend auf den Zelldichten, welche aus dem extrakapillarem Raum extrahiert wurden, erforderlich war. Das Vierweg-LL-Ventil 216 wurde automatisch jede Minute mittels einer Zeitgebungseinrichtung 34, welche von Eutectic Electronic, Raleigh, N.C. hergestellt war, umgeschaltet.A hollow fiber bioreactor system 110 was constructed as shown in Figure 6. The system was autoclave sterilized except for the hollow fiber oxygenator 60 which was aseptically inserted into the nutrient return line as shown. The system was then filled with a culture medium, modified Frey's medium supplemented with 8% porcine family serum, pH 7.0, through the sterile barrier tangential flow device 2 and incubated for 48 hours at 37°C in ambient air as a control for sterility and system equilibrium. A 20 milliliter 0.1% cell suspension of Mycoplasma galasepticum was inoculated into the extracapillary space (interstitial passageways) of the hollow fiber bioreactor 112. The system was then incubated for 35 days with media changed as required based on the cell densities extracted from the extracapillary space. The four-way LL valve 216 was automatically cycled every minute by a timing device 34 manufactured by Eutectic Electronic, Raleigh, NC.
Mycoplasma Spezies werden routinemäßig in Suspensionskulturen bei Dichten von 0,4 % Zellen oder weniger wachsen gelassen und haben eine Affinität für Fasermembranen und Kunststoffe. Daher hatte der in diesem Experiment verwendete Hohlfaserbioreaktor 212, der von der Applied Membrane Technologies, Minnetonka, Minnesota geliefert war, zwei Hauptmodifizierungen: 1) eine Polyolefinbeschichtung war auf der 0,1 Micron-Basismembran angeordnet, um der Tendenz des Mycoplasmas entgegenzuwirken, an den Membranfasern anzuhaften, 2) der extrakapillare Raum hatte vier Ausgangsöffnungen. Zwei der diagonal gegenüberliegenden Öffnungen wurden mittels Rohr- bzw. Schlauch durch eine Cole-Parmer-Peristaltikpumpe 263 verbunden, wie in Figur 6 gezeigt ist. Die Pumpe wurde dazu benutzt, vollständige Gleichförmigkeit der Kultur durch Verhindern eines Anhaftens der Organismen an den Fasern sicherzustellen und den Extrakapillarraumnährstoffen ein zusätzliches Mischen zu geben.Mycoplasma species are routinely grown in suspension cultures at densities of 0.4% cells or less and have an affinity for fibrous membranes and plastics. Therefore, the hollow fiber bioreactor 212 used in this experiment, supplied by Applied Membrane Technologies, Minnetonka, Minnesota, had two major modifications: 1) a polyolefin coating was placed on the 0.1 micron base membrane to counteract the tendency of the mycoplasma to adhere to the membrane fibers, 2) the extracapillary space had four exit ports. Two of the diagonally opposite ports were connected by tubing through a Cole-Parmer peristaltic pump 263 as shown in Figure 6. The pump was used to ensure complete uniformity of the culture by preventing adhesion of the organisms to the fibers and to provide additional mixing to the extracapillary space nutrients.
Die Extrakapillarraumpumpe 263 wurde in zwei unterschiedlichen Betriebsweisen beurteilt: (1) eine kontinuierliche langsame Rezirkulation des Nährstoffmediums; und eine (2) intermittierende Betriebsweise von 1 Minute ein und 5 Minuten aus. Das zweite Verfahren wurde hypothetisch als weniger auflösend für die allgemeine Proteinstabilität angenommen. Die Rezirkulationsrate für die Pumpe 263 wurde auf ein Systemvolumen pro Minute eingestellt.The extracapillary space pump 263 was evaluated in two different modes of operation: (1) a continuous slow recirculation of the nutrient medium; and (2) an intermittent mode of operation of 1 minute on and 5 minutes off. The second mode was hypothesized to be less resolving of overall protein stability. The recirculation rate for pump 263 was set to one system volume per minute.
Die Mycoplasmazellen waren das gewünschte Produkt dieser Experimente. Spezieller Nachdruck wurde darauf gelegt, fähig zu sein, eine gleichförmig dispergierte Zellsuspension mit den höchstmöglichen Zelldichten zu gewinnen.Mycoplasma cells were the desired product of these experiments. Special emphasis was placed on being able to obtain a uniformly dispersed cell suspension with the highest possible cell densities.
Mehrere einleitende Experimente wurden unter Verwendung dieses Organismus mit beachtenswerten Ergebnissen ausgeführt. In dem ersten Experiment ohne ein Vierweg-LL-Ventil 216 oder Extrakapillarpumpe 263 wurde eine Zellsuspension von grob 1 bis 2 % wachsend und anhaftend an den Fasern an der Einlaßöffnung des Bioreaktors 12 beobachtet. Ein zweites Experiment, worin das Vierweg-LL-Ventil 216 verwendet wurde, jedoch nicht die Extrakapillarpumpe 263, wurden Zelldichten von 4,0 % erzielt. Die Organismen waren gleichmäßig über die Länge des Bioreaktors 212 verteilt, aber hatten fortgesetzt eine enge Nachbarschaft mit den Fasern. Diese Adhäsion der Organismen an den Fasern machte das Gewinnen einer gleichförmigen Suspension schwierig. In dem letzten Experiment wurden unter Verwendung des Vierwegventils und der externen Strömungkreislaufkomponenten, wie in Figur 6 gezeigt, Ausbeuten von gleichförmig dispergierten 10 %-Zellsuspensionen routinemäßig in 12-Stunden-Intervallen gewonnen.Several preliminary experiments were carried out using this organism with remarkable results. In the first experiment without a four-way LL valve 216 or extracapillary pump 263, a cell suspension of roughly 1 to 2% was observed growing and adhering to the fibers at the inlet port of the bioreactor 12. A second experiment using the four-way LL valve 216 but not the extracapillary pump 263, cell densities of 4.0% were achieved. The organisms were evenly distributed along the length of the bioreactor 212, but continued to be in close proximity to the fibers. This adhesion of the organisms to the fibers made obtaining a uniform suspension difficult. In the final experiment, using the four-way valve and external flow circuit components as shown in Figure 6, yields of uniformly dispersed 10% cell suspensions were routinely obtained at 12-hour intervals.
In den vorstehenden Experimenten wurde ein Hohlfasersauerstoffanreicherer 60, der kommerziell von der CD Medical Corporation, Miami Florida erhältlich war, angewandt, zusammen mit einem Biostat M Fermentor (B. Braun, Westdeutschland) als das Nährmediumreservoir 230. Der Sauerstoffanreicherer 60 wurde verwendet, um die Sauerstoffanreicherung des Nährmediums zu erleichtern, anstatt durch das Medium in dem Reservoir 230 zu spritzen. Keine bemerkenswerte Änderung im Wachstum wurde erwartet oder beobachtet aufgrund des Sauerstoffanreicherers 60, welcher lediglich zum Vorteil und zu Bewertungszwecken hinzugefügt war. Der B. Braun Fermentor wurde verwendet, um einen Mangel des verfügbaren Warmzimmerraums für die Temperatursteuerung bzw. -regelung zu überwinden und eine automatische statt einer manuellen pH-Überwachung und -Steuerung vorzusehen als ein Test der Gesamtsystemintegrität, wenn es in einer Herstellungsbetriebsweise betrieben wird. Das beobachtete erhöhte Zellwachstum war nicht der automatischen pH-Steuerung zuzuschreiben, insofern als der pH-Monitor und die pH-Steuerung während mehrerer Tage abgeschaltet waren, um diese Hypothese direkt zu testen.In the above experiments, a hollow fiber oxygenator 60, commercially available from CD Medical Corporation, Miami Florida, was used along with a Biostat M Fermentor (B. Braun, West Germany) as the culture medium reservoir 230. The oxygenator 60 was used to facilitate oxygenation of the culture medium rather than squirting through the medium in the reservoir 230. No notable change in growth was expected or observed due to the oxygenator 60, which was added for convenience and evaluation purposes only. The B. Braun Fermentor was used to overcome a lack of available warm room space for temperature control and to provide automatic rather than manual pH monitoring and control. as a test of overall system integrity when operated in a manufacturing setting. The increased cell growth observed was not attributable to the automatic pH control, in that the pH monitor and pH control were turned off for several days to directly test this hypothesis.
Eine Sterilbarrieren-Tangentialströmungseinrichtung 2, die kommerziell von Microgon Inc., Laguna Hills, CA erhältlich ist, wurde in dem zweiten und den folgenden Experimenten für alle Medienwechsel verwendet. Die durch diese Sterilbarrieren- Tangentialströmungseinrichtung aufgebrachte gesteigerte Sicherheit war in hohem Maße vorteilhaft. Das letzte Mycoplasmaexperiment wurde unter Verwendung des vorstehend erwähnten Fermentors ohne den Vorteil einer sterilen Haube oder einer anderen Begrenzungsvorrichtung ausgeführt. Es gab mehr als siebzig Nährmediumswechsel während dieses Experiments ohne Verlust der Sterilität.A sterile barrier tangential flow device 2, available commercially from Microgon Inc., Laguna Hills, CA, was used for all media changes in the second and subsequent experiments. The increased safety provided by this sterile barrier tangential flow device was highly beneficial. The final mycoplasma experiment was carried out using the aforementioned fermentor without the benefit of a sterile hood or other confining device. There were more than seventy media changes during this experiment without loss of sterility.
Eine zusätzliche Maßnahme wurde für die Sterilität in all den vorerwähnten Experimenten auf Mycoplasma gemacht. Diese beinhaltete die Verwendung von zwei reihengeschalteten Zweiwegventilen (Becton Dickenson) auf allen Hohlfasermembranpatronenöffnungen. Diese Dualventilanordnung ermöglichte eine Resterilisierung der äußersten Ventile mit Alkohol auf Kunststoffventilen oder Flamme auf rostfreien Ventilen, während das innere Ventil geschlossen blieb, so daß eine sterile Barriere sichergestellt war. Die Dualventilanordnung war unerläßlich für das Gewinnen der Zellen aus dem extrakapillaren Raum des Bioreaktors 212. Die Dualventile 242 und 248 machten es möglich, eine sterile Umgebung in dem extrakapillaren Raum zu halten, trotzdem über 100 Proben während des letzten Experiments allein gezogen worden sind.An additional measure was taken for sterility in all of the aforementioned experiments on Mycoplasma. This involved the use of two serially connected two-way valves (Becton Dickenson) on all hollow fiber membrane cartridge ports. This dual valve arrangement allowed for resterilization of the outermost valves with alcohol on plastic valves or flame on stainless steel valves while the inner valve remained closed, thus ensuring a sterile barrier. The dual valve arrangement was essential for collecting cells from the extracapillary space of bioreactor 212. The dual valves 242 and 248 made it possible to maintain a sterile environment in the extracapillary space, despite over 100 samples being drawn during the last experiment alone.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung ein relativ einfaches Bioreaktorsystem zur Verfügung stellen, welches die Gleichverteilung des Zellwachstums überall in der Wachstumskammer dramatisch verbessert, den Transport von metabolischem Abfall weg von den Zellen steigert und überall eine homogenere Umgebung für andere metabolische Parameter erzeugt. Demgemäß sind die Hauptziele der Erfindung erreicht worden. Andere beiläufige Vorteile umfassen die Fähigkeit, eine relativ einfache Rohrleitung zu verwenden, welche leicht zusammenzubauen und zu warten ist. Ein anderer praktischer Vorteil ist die minimale Zahl von erforderlichen Verbindungen, was das potentielle Auftreten von Sterilitätsbrüchen herabsetzt. Es wird auch anerkannt, daß die Strömung des Nährmediums durch die Wachstumskammer in einer komplizierteren Art und Weise durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Ventilen gesteuert werden könnte, jedoch ist die Steuerung eines einzigen Ventils inhärenterweise wünschbarer und genauer als das Steuern mehrerer Ventile. Weiter würde eine Ventilstörung des Vierwegventils in dem System der Erfindung nicht selbst Zelltod verursachen.From the above it can be seen that the device and method of the invention provide a relatively simple bioreactor system which allows the uniform distribution of the Cell growth is dramatically improved throughout the growth chamber, the transport of metabolic waste away from the cells is increased, and a more homogeneous environment for other metabolic parameters is created throughout. Accordingly, the primary objectives of the invention have been achieved. Other incidental advantages include the ability to use relatively simple tubing which is easy to assemble and maintain. Another practical advantage is the minimal number of connections required, which reduces the potential occurrence of sterility breaches. It is also recognized that the flow of culture medium through the growth chamber could be controlled in a more complicated manner by providing a plurality of valves, however, control of a single valve is inherently more desirable and accurate than controlling multiple valves. Further, valve failure of the four-way valve in the system of the invention would not itself cause cell death.
Obwohl spezielle Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung im Detail beschrieben worde sind, wird es anerkannt, daß andere Variationen, Abwandlungen und Ausführungen derselben möglich sind, um demgemäß werden alle solche Variationen, Abwandlungen und Ausführungsformen als innerhalb des Geistes und Bereichs der Erfindung befindlich betrachtet.Although specific embodiments and features of the invention have been described in detail, it is recognized that other variations, modifications and embodiments thereof are possible, and accordingly, all such variations, modifications and embodiments are considered to be within the spirit and scope of the invention.
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